Pretvori Ugljikov dioksid i sunčeva svjetlost u tekućim gorivima To više nije samo egzotična laboratorijska ideja. Posljednjih godina, nekoliko evropskih i azijskih istraživačkih timova poduzima čvrste korake kako bi osigurali da neka od goriva budućnosti potiču od CO₂-a, koji se trenutno smatra otpadnim proizvodom.
U Španiji, projekat koji je vodio Javno sveučilište u Navarri Tesno sarađuje s tehnološkim centrima i kompanijama kako bi dizajnirala uređaje koji proizvode obnovljiva sintetička goriva iz vode i CO₂U međuvremenu, u drugim zemljama se usavršavaju vještački sistemi fotosinteze koji bi se mogli integrirati u ove proizvodne lance, stvarajući sliku u kojoj "pravljenje goriva iz zraka" više ne zvuči kao naučna fantastika.
Panel-to-Fuel: proizvodnja goriva pomoću sunca, vode i CO₂ u Španiji
Projekat Od panela do goriva, koji promovira Javni univerzitet Navarre (UPNA) putem instituta INAMAT², Tehnološki centar Lurederra i kompanija Mašinsko inženjerstvo Navarre (INM)Cilj je pokazati da je to moguće proizvode sintetička goriva koristeći samo obnovljivi izvori: sunčevo zračenje, voda i CO₂ zarobljeni iz zraka.
Centralna ideja je zamijeniti dio tečna goriva dobijena iz nafte alternativama kompatibilnim sa trenutnim motorima, ali generiranim procesima koji ne povećavaju CO₂ u atmosferi. U tu svrhu predlaže se ciklus u kojem CO₂ se hvata iz zraka, a zeleni vodik se dobija korištenjem sunčeve svjetlosti. i oba se kombinuju kako bi se stvorila sintetička goriva koja se mogu koristiti u transportu.
Ovaj pristup nastoji riješiti jedan od glavnih klimatskih izazova: dekarbonizacija sektora koje je teško elektrifikovati, kao što su teški cestovni prijevoz, pomorski ili zrakoplovni promet, gdje direktna zamjena baterijama nije uvijek tehnički ili ekonomski isplativa.
Projekat nije ograničen samo na hemijski razvoj, već uključuje i ekonomske i ekološke analize kako bi se utvrdilo da li proces može srednjoročno biti konkurentan tradicionalnim opcijama fosilnih goriva i drugim obnovljivim alternativama koje su već na tržištu.
Fotokatalitički panel koji imitira biljke
U srži koncepta "Od panela do goriva" leži fotokatalitički panel ...što radi drugačije od konvencionalnog fotonaponskog panela. Umjesto generiranja električne energije, ovaj uređaj koristi sunčevu svjetlost za odvojiti molekule vode i proizvesti vodonikbez potrebe za korištenjem energije iz mreže.
UPNA dizajni reaktori proizvedeni 3D printanjems geometrijama dizajniranim da optimalno izlože aktivne materijale sunčevom zračenju. Cilj je bolje rasporediti svjetlost po površini na kojoj se reakcija odvija, čime se povećava količina vodika koji se može dobiti iz vode.
Sa svoje strane, Tehnološki centar Lurederra doprinosi nanomaterijali sposobni za hvatanje i iskorištavanje sunčeve svjetlosti s visokom efikasnošćuOvi spojevi djeluju kao fotokatalizatori, odnosno pokreću i ubrzavaju hemijske reakcije kada prime fotone, slično onome što pigmenti u listovima biljaka rade tokom prirodne fotosinteze.
Za to je zadužena kompanija Ingeniería Navarra Mecánica inženjering prvog integriranog prototipa, demonstracijsku jedinicu koja će u jednom sistemu objediniti proizvodnju vodonika, hvatanje CO₂ i naknadnu sintezu obnovljivih goriva.
Paralelno s razvojem ove opreme, konzorcij radi na adsorbentni materijali za hvatanje CO₂ iz zraka, sposobni da zadrže ovaj gas na svojoj površini, a zatim ga kontrolisano otpuste kako bi ga uveli u reakcije konverzije.
Od CO₂ i vodika do tekućih goriva: metanol i Fischer-Tropschov sistem
Nakon što imate zeleni vodik i zarobljeni CO₂Sljedeća faza je njihova transformacija u molekule koje se mogu koristiti kao tečno gorivo. Tim koji predvode Luis Gandía Pascual i Fernando Bimbela Serrano analizira dva glavna pravca da to postigne
Prva odmarališta za metanol kao međukorakU ovom slučaju, CO₂ reaguje sa vodonikom i formira metanol, molekulu koja se, zauzvrat, može transformisati u složenija goriva ili direktno koristiti u određenim industrijskim i energetskim primjenama.
Drugi put se zasniva na prilagođenoj verziji procesa Fischer-Tropschdobro poznata tehnologija koja omogućava pretvaranje smjesa ugljičnog monoksida i vodika u tečni ugljikovodici slični konvencionalnim gorivimaKljučno je ovdje prilagoditi uvjete i katalizatore za početak s CO₂ i dobiti odgovarajuće plinske smjese za pokretanje tog procesa.
Konzorcij upoređuje obje opcije kako bi utvrdio Koji put se najbolje uklapa u kompletan lanacUzimajući u obzir energetsku efikasnost, operativne troškove, tehničku složenost i integraciju sa modulom za hvatanje CO₂ i fotokatalitičkim panelom za proizvodnju vodonika.
Prema riječima istraživača Fernanda Bimbele, šefa QuiProVal grupe pri UPNA-i, razvijeni prototipovi su već omogućili Dobivanje solarnog metana iz CO₂ i zelenog vodikai u toku je rad na povećanju proizvodnje ugljikovodika s većim brojem atoma ugljika, bližih tekućim gorivima koja se svakodnevno koriste.
Zakrivljeni dizajn, modularni sistem i evropska podrška
Jedan od prepoznatljivih elemenata koncepta "Panel-to-Fuel" je razvoj... reaktor sa zakrivljenim dizajnom Ovaj dizajn koncentriše sunčevo zračenje precizno u područje gdje se odvijaju najvažnije hemijske reakcije. Ova geometrija omogućava bolje korištenje i sunčeve svjetlosti i toplote, povećavajući efikasnost sistema.
Krajnji cilj je imati modularni sklop sposoban za kontinuiran i stabilan radistovremeno obavljajući tri zadatka: proizvodnju vodika, hvatanje CO₂ iz zraka i njegovo pretvaranje u sintetička goriva. Modularnost bi olakšala prilagođavanje proizvodnih kapaciteta različitim okruženjima, od pilot postrojenja u blizini istraživačkih centara do većih postrojenja uz industrijske ili logističke sektore.
Pored tehničkog dizajna, projekat uključuje studije ekonomske izvodljivosti i uticaja na okolinubitno je procijeniti mogu li se ova sintetička goriva takmičiti s konvencionalnim dizelom, benzinom ili kerozinom, kao i s alternativama poput električnih vozila ili komprimiranog vodika.
Karakteristike od panela do goriva finansiranje od strane Državne agencije za istraživanje, of Plan oporavka, transformacije i otpornosti i iz evropskih fondova NextGenerationEUkao i pomoć kao što je RENOCogenOvo pojačava ulogu ove vrste projekta u strategiji dekarbonizacije i zelene reindustrijalizacije Španije i Evropske unije.
Tim uključuje istraživače iz UPNA-e, kao što su Luis Gandía, Fernando Bimbela i Ismael Peleljeeroiz Lurederre, kao Cristina Salazar i Carmen Garijo; i iz kompanije Ingeniería Navarra Mecánica, među njima Uxue LlorenteOvo pokazuje blisku saradnju između univerziteta, tehnološkog centra i poslovnog sektora.
Umjetna fotosinteza: međunarodni napredak koji ukazuje na solarna goriva
Dok u Navarri rade na integraciji cijelog procesa u jedinstveni modularni sistem, druge međunarodne grupe napreduju na komplementarnoj komponenti: visokoučinkoviti fotonski katalizatori sposoban za transformisanje CO₂ koristeći samo sunčevu svjetlost i vodu kao glavne ulazne podatke.
Nedavni primjer dolazi od tima u Kineska akademija nauka i sa Univerziteta nauke i tehnologije u Hong Kongu, koji je predstavio sistem umjetna fotosinteza objavljeno u časopisu Nature Communications. Njihov pristup uključuje korištenje materijala pod nazivom Ag/WO₃, srebrom modificiranog volframovog trioksida, koji djeluje kao vrsta privremeno skladištenje elektrona unutar katalizatora.
Kada se ovaj materijal osvijetli, može skladištenje i otpuštanje elektrona na kontroliran način, što je ključno za efikasnije smanjenje CO₂. U kombinaciji s molekularnim katalizatorom na bazi kobalta, kobalt ftalocijaninSistem uspijeva pretvoriti CO₂ i vodu u ugljen monoksid sa brzinom daleko većom od one kod prethodnih konfiguracija.
U laboratorijskim uslovima, nivoi proizvodnje su reda veličine 1,5 milimola ugljičnog monoksida po gramu katalizatora na satotprilike sto puta više od istog kobaltnog katalizatora bez "rezervoara naboja" koji pruža Ag/WO₃. Iako je još uvijek u malim razmjerima, poboljšanje performansi je naučno značajno.
Da ugljični monoksid nije gorivo spremno za upotrebu u rezervoaru, ali predstavlja jedan od osnovni hemijski gradivni blokovi za proizvodnju sintetičkih goriva, kroz već poznate industrijske rute kao što je sinteza plina (singas) nakon čega slijede procesi tipa Fischer-Tropsch, upravo ista logika koja se istražuje u projektima kao što je Panel-to-Fuel.
Čistiji dizajn: voda kao izvor elektrona
Jedan od uobičajenih problema s mnogim shemama umjetne fotosinteze je potreba za korištenjem potrošni materijalDodatne supstance olakšavaju reakciju, ali se troše i stvaraju otpad. Kineski dizajn pokušava da prevaziđe ovo ograničenje korištenjem voda kao izvor elektrona, pristup bliži funkcionisanju pravog lista.
U prirodi, molekule poput plastokinona nakratko pohranjuju elektrone radi koordinacije nekoliko fotohemijskih reakcija odjednomInspirisan ovim ponašanjem, Ag/WO₃ sistem omogućava volframu da promijeni svoje oksidacijsko stanje primanjem i odavanjem elektrona, tako da katalizator koji redukuje CO₂ ima više naboja dostupnog duže vrijeme.
Ovaj mehanizam od povremeno skladištenje naboja Smanjuje gubitke i poboljšava ukupnu efikasnost procesa, što je neophodno ako se ovi sistemi žele premjestiti iz laboratorije u praktičnu primjenu gdje je cijena po kilogramu proizvoda ključna.
Zanimljivo je da uređaj ne radi samo pod kontroliranim umjetnim osvjetljenjem, već je testiran i sa prirodna sunčeva svjetlostuz zadržavanje sposobnosti pretvaranja CO₂ u ugljični monoksid. Ovaj detalj sugerira da bi se tehnologija mogla integrirati u reaktori koji se direktno napajaju obnovljivim izvorima energije, bez nužnog korištenja električne mreže.
Iz perspektive dizajna materijala, strategija Ag/WO₃ predstavlja relativno svestran pristup, budući da se ista podrška može kombinovati sa različiti specifični katalizatori ovisno o željenom krajnjem proizvodu, otvarajući vrata širem spektru goriva i hemijskih spojeva solarnog porijekla.
Utjecaj klimatskih promjena, izazovi i usklađivanje s europskim politikama
Mogućnost pretvaraju CO₂ u sintetička goriva uz pomoć sunčeve svjetlosti Savršeno se uklapa u evropske strategije dekarbonizacije, ali njegov stvarni doprinos će zavisiti od cijelog životnog ciklusa. Da bi ova goriva bila klimatski neutralna, korišteni CO₂ mora dolaziti iz zarobljeni izvoribilo da se radi o industrijskim emisijama ili direktno iz zraka, a cijeli proces mora biti opskrbljen obnovljiva energija.
Čak i kada su ti uslovi ispunjeni, stručnjaci ističu da Ukupna efikasnost je još uvijek daleko od idealne.Svaka faza — hvatanje CO₂, proizvodnja vodika, pretvaranje u tekuća goriva, skladištenje i distribucija — uključuje gubitke energije koji se pretvaraju u ekonomske troškove i potrebu za većim instaliranim kapacitetima obnovljivih izvora energije.
Uprkos tome, ova solarna goriva mogla bi igrati relevantnu ulogu u onim sektorima gdje Nije lako direktno elektrificirati ili zamijeniti postojeće motore i infrastrukturu u kratkom roku. Avijacija, pomorski transport i određene teške industrije se više puta pojavljuju na ovoj listi „teških za smanjenje“.
Iz perspektive energetske politike, postavljaju se i vrlo praktična pitanja: Koliko će koštati litra ove vrste goriva? U poređenju sa tradicionalnim dizelom ili benzinom, kako će se integrisati u postojeće rafinerije i mreže, i kakav nivo podrške će ove tehnologije dobiti u poređenju sa drugim opcijama kao što su električna vozila ili vodonik za gorivne ćelije?
U Evropi, kombinacija projekata poput Panel-to-Fuel sa međunarodni napredak en umjetna fotosinteza i novi katalizatori To ukazuje na scenario u kojem se CO₂ više ne posmatra isključivo kao problem, već se djelomično smatra resursom. Kako se klima zagrijava, a cijene goriva fluktuiraju, razvoj obnovljiva sintetička goriva na bazi sunčeve svjetlosti i CO₂ Pojavljuje se kao komplementaran način da se industrija i okoliš počnu kretati u istom smjeru.