Muunna hiilidioksidi ja auringonvalo nestemäisissä polttoaineissa Kyseessä ei ole enää vain eksoottinen laboratorioidea. Viime vuosina useat eurooppalaiset ja aasialaiset tutkimusryhmät ovat ryhtyneet määrätietoisiin toimiin varmistaakseen, että osa tulevaisuuden polttoaineista on peräisin hiilidioksidista, jota tällä hetkellä pidetään jätteenä.
Espanjassa hanketta johti Pública de Navarran yliopisto Se tekee tiivistä yhteistyötä teknologiakeskusten ja yritysten kanssa suunnitellakseen laitteita, jotka tuottavat Uusiutuvat synteettiset polttoaineet vedestä ja hiilidioksidistaSamaan aikaan muissa maissa kehitellään keinotekoisia fotosynteesijärjestelmiä, jotka voitaisiin integroida näihin tuotantoketjuihin, mikä luo kuvan, jossa "polttoaineen valmistaminen ilmasta" ei enää kuulosta tieteiskirjallisuudelta.
Paneelista polttoaineeksi: polttoaineiden valmistusta auringolla, vedellä ja hiilidioksidilla Espanjassa
El proyecto Paneelista polttoaineeseen, jota edistää Navarran julkinen yliopisto (UPNA) INAMAT²-instituutin kautta Lurederran teknologiakeskus ja yritys Navarran konetekniikka (INM)Sen tarkoituksena on osoittaa, että se on mahdollista tuottaa synteettisiä polttoaineita käyttämällä vain uusiutuvat luonnonvaratilmasta talteen otettu auringonsäteily, vesi ja hiilidioksidi.
Keskeinen ajatus on korvata osa öljystä johdetut nestemäiset polttoaineet vaihtoehtoisilla menetelmillä, jotka ovat yhteensopivia nykyisten moottoreiden kanssa, mutta jotka tuotetaan prosesseilla, jotka eivät lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Tätä varten ehdotetaan kiertoa, jossa CO₂ otetaan talteen ilmasta ja vihreää vetyä saadaan auringonvalon avulla. ja molemmat yhdistetään synteettisiksi polttoaineiksi, joita voidaan käyttää liikenteessä.
Tämä lähestymistapa pyrkii ratkaisemaan yhden suurimmista ilmastohaasteista: vaikeasti sähköistettävien alojen hiilidioksidipäästöjen vähentäminen, kuten raskas tieliikenne, meri- tai ilmailuala, joissa suora korvaaminen akuilla ei ole aina teknisesti tai taloudellisesti kannattavaa.
Hanke ei rajoitu pelkästään kemialliseen kehitykseen, vaan siihen kuuluu myös taloudelliset ja ympäristöanalyysit selvittää, pystyykö prosessi keskipitkällä aikavälillä kilpailemaan perinteisten fossiilisten polttoaineiden ja muiden jo markkinoilla olevien uusiutuvien vaihtoehtojen kanssa.
Kasveja jäljittelevä fotokatalyyttinen paneeli
Panel-to-Fuel-järjestelmän ytimessä on fotokatalyyttinen paneeli joka toimii eri tavalla kuin perinteinen aurinkopaneeli. Sähkön tuottamisen sijaan tämä laite käyttää auringonvaloa erottaa vesimolekyylit ja tuottaa vetyäilman, että tarvitsee käyttää sähköä verkosta.
UPNA-mallit 3D-tulostuksella valmistetut reaktoritgeometrioilla, jotka on suunniteltu altistamaan aktiiviset materiaalit optimaalisesti auringonsäteilylle. Tavoitteena on jakaa valo paremmin pinnalle, jossa reaktio tapahtuu, mikä lisää vedestä saatavan vedyn määrää.
Lurederran teknologiakeskus puolestaan ​​osallistuu nanomateriaalit, jotka kykenevät talteen ottamaan ja hyödyntämään auringonvaloa tehokkaastiNämä yhdisteet toimivat fotokatalyytteinä eli ne käynnistävät ja kiihdyttävät kemiallisia reaktioita, kun ne vastaanottavat fotoneja, samalla tavalla kuin kasvinlehtien pigmentit tekevät luonnollisen fotosynteesin aikana.
IngenierÃa Navarra Mecánica -yhtiö vastaa ensimmäisen integroidun prototyypin suunnittelu, demonstraatioyksikkö, joka yhdistää yhteen järjestelmään vedyn tuotannon, hiilidioksidin talteenoton ja sitä seuraavan uusiutuvien polttoaineiden synteesin.
Tämän laitteen kehittämisen rinnalla konsortio työskentelee parhaillaan adsorbentteja materiaaleja hiilidioksidin talteenottamiseksi ilmasta, jotka kykenevät pidättämään tämän kaasun pinnallaan ja sitten vapauttamaan sen hallitusti, jotta se voidaan viedä konversioreaktioihin.
CO₂:sta ja vedystä nestemäisiin polttoaineisiin: metanoli ja Fischer-Tropsch-reaktio
Kun sinulla on vihreää vetyä ja talteenotettua hiilidioksidiaSeuraava vaihe on muuntaa ne molekyyleiksi, joita voidaan käyttää nestemäisenä polttoaineena. Luis GandÃa Pascualin ja Fernando Bimbela Serranon johtama tiimi analysoi kaksi pääreittiä sen saavuttamiseksi.
Ensimmäiset lomakohteet metanoli välivaiheenaTässä tapauksessa CO₂ reagoi vedyn kanssa muodostaen metanolia, molekyyliä, jota puolestaan ​​voidaan muuttaa monimutkaisemmiksi polttoaineiksi tai käyttää suoraan tietyissä teollisissa ja energiasovelluksissa.
Toinen reitti perustuu prosessin mukautettuun versioon. Fischer-Tropschtunnettu tekniikka, joka mahdollistaa hiilimonoksidin ja vedyn seosten muuntamisen hiilimonoksidiksi nestemäiset hiilivedyt, jotka ovat samanlaisia ​​kuin perinteiset polttoaineetOlennaista tässä on säätää olosuhteet ja katalyytit siten, että prosessi alkaa hiilidioksidilla ja saadaan aikaan sopivia kaasuseoksia prosessin polttoaineeksi.
Konsortio vertailee molempia vaihtoehtoja määrittääkseen mikä polku sopii parhaiten koko ketjuunOttaen huomioon energiatehokkuuden, käyttökustannukset, teknisen monimutkaisuuden ja integroinnin CO₂:n talteenottomoduuliin ja fotokatalyyttiseen vedyn tuotantopaneeliin.
UPNA:n QuiProVal-ryhmän johtajan, tutkijan Fernando Bimbelan mukaan kehitetyt prototyypit ovat jo mahdollistaneet Hanki aurinkometaania hiilidioksidista ja vihreästä vedystäja parhaillaan työskennellään skaalatakseen kohti hiilivetyjä, joissa on enemmän hiiliatomeja ja jotka ovat lähempänä päivittäin käytettyjä nestemäisiä polttoaineita.
Kaareva muotoilu, modulaarinen järjestelmä ja eurooppalainen tuki
Yksi Panel-to-Fuel-menetelmän erityispiirteistä on sellaisen kehittäminen, kaarevan rakenteen omaava reaktori Tämä rakenne keskittää auringonsäteilyn juuri sille alueelle, jossa tärkeimmät kemialliset reaktiot tapahtuvat. Tämä geometria mahdollistaa sekä auringonvalon että lämmön paremman hyödyntämisen, mikä lisää järjestelmän tehokkuutta.
Perimmäisenä tavoitteena on saada modulaarinen kokoonpano, joka kykenee jatkuvaan ja vakaaseen toimintaansuorittaen kolmea tehtävää samanaikaisesti: vedyn tuottamista, hiilidioksidin talteenottoa ilmasta ja sen muuntamista synteettisiksi polttoaineiksi. Modulaarisuus helpottaisi tuotantokapasiteetin mukauttamista erilaisiin ympäristöihin, tutkimuskeskusten lähellä sijaitsevista pilottilaitoksista suurempiin laitoksiin teollisuus- tai logistiikkasektorien vieressä.
Teknisen suunnittelun lisäksi projektiin kuuluu mm. taloudellisen toteutettavuuden ja ympäristövaikutusten tutkimuksetOn tärkeää arvioida, voivatko nämä synteettiset polttoaineet kilpailla perinteisen dieselin, bensiinin tai kerosiinin kanssa sekä vaihtoehtojen, kuten sähköajoneuvojen tai paineistetun vedyn, kanssa.
Paneelista polttoaineeseen -ominaisuudet valtion tutkimusviraston rahoitusJa Elvytys-, muutos- ja sopeutumissuunnitelma ja eurooppalaisista rahastoista Seuraava sukupolviEUsekä apua, kuten RENOCogenTämä vahvistaa tämän tyyppisen hankkeen roolia Espanjan ja Euroopan unionin hiilestä irtautumisen ja vihreän uudelleenteollistamisen strategiassa.
Tiimiin kuuluu UPNA:n tutkijoita, kuten Luis GandÃa, Fernando Bimbela ja Ismael Pellejero; Lurederrasta, kuten Cristina Salazar ja Carmen Garijo; ja muun muassa IngenierÃa Navarra Mecánica -yritykseltä Uxue LlorenteTämä osoittaa tiivistä yhteistyötä yliopiston, teknologiakeskuksen ja yritysmaailman välillä.
Keinotekoinen fotosynteesi: kansainväliset edistysaskeleet kohti aurinkopolttoaineita
Navarrassa työskennellään koko prosessin integroimiseksi yhdeksi modulaariseksi järjestelmäksi, kun taas muut kansainväliset ryhmät edistyvät täydentävän komponentin kehittämisessä: korkean suorituskyvyn fotoniset katalyytit kykenevä muuntamaan hiilidioksidia käyttämällä pääasiallisina syöttölähteinä ainoastaan ​​auringonvaloa ja vettä.
Tuore esimerkki tulee eräältä tiimiltä, ​​joka Kiinan tiedeakatemia ja Hongkongin tiede- ja teknologiayliopistosta, joka on esitellyt järjestelmän keinotekoinen fotosynteesi julkaistu Nature Communications -lehdessä. Heidän lähestymistapaansa kuuluu Ag/WO₃-nimisen materiaalin käyttö, joka on hopealla muunnettu volframitrioksidi ja toimii eräänlaisena väliaikainen elektronien varastointi katalyytin sisällä.
Kun tätä materiaalia valaistaan, se voi varastoida ja vapauttaa elektroneja hallitusti, mikä on avainasemassa CO₂-päästöjen tehokkaammassa vähentämisessä. Yhdistettynä kobolttipohjaiseen molekyylikatalyyttiin, kobolttiftalosyaniiniJärjestelmä pystyy muuttamaan CO₂:n ja veden hiilimonoksidi nopeudella, joka on huomattavasti suurempi kuin aiemmissa kokoonpanoissa.
Laboratorio-olosuhteissa tuotantotasot ovat luokkaa 1,5 millimoolia hiilimonoksidia katalyyttigrammaa kohden tunnissanoin sata kertaa enemmän kuin sama kobolttikatalyytti ilman Ag/WO₃:n tarjoamaa "varausreservoiria". Vaikka mittakaava on vielä pieni, suorituskyvyn parannus on tieteellisesti merkittävä.
Että hiilimonoksidi ei ole käyttövalmis polttoaine säiliössä, mutta se on yksi synteettisten polttoaineiden valmistuksen peruskemialliset rakennuspalikat, jo tunnettujen teollisten reittien, kuten kaasusynteesin (synkaasun) ja sitä seuraavien Fischer-Tropsch-tyyppisten prosessien, kautta, täsmälleen samaa logiikkaa, jota tutkitaan esimerkiksi Panel-to-Fuel-projekteissa.
Puhtaampi muotoilu: vesi elektronien lähteenä
Yksi yleisimmistä ongelmista monissa keinotekoisissa fotosynteesimenetelmissä on tarve käyttää kertakäyttöiset aineetLisäaineet edistävät reaktiota, mutta ne kuluvat ja tuottavat jätettä. Kiinalainen suunnittelu pyrkii voittamaan tämän rajoituksen käyttämällä vesi elektronien lähteenä, lähestymistapa, joka on lähempänä oikean lehden toimintaa.
Luonnossa molekyylit, kuten plastokinoni, varastoivat elektroneja lyhyeksi aikaa koordinoidakseen useita fotokemiallisia reaktioita kerrallaTämän käyttäytymisen inspiroimana Ag/WO₃-järjestelmä sallii volframin muuttaa hapetustilaansa vastaanottamalla ja luovuttamalla elektroneja, jolloin CO₂:ta pelkistävällä katalyytillä on enemmän varausta käytettävissä pidempään.
Tämä mekanismi ajoittainen latausvarastointi Se vähentää hävikkiä ja parantaa prosessin kokonaistehokkuutta, mikä on olennaista, jos näitä järjestelmiä halutaan siirtää laboratoriosta käytännön sovelluksiin, joissa tuotteen kilohinta on ratkaiseva.
Mielenkiintoista on, että laite ei toimi ainoastaan ​​kontrolloidussa keinovalossa, vaan sitä on testattu myös mm. luonnollinen auringonvalosäilyttäen samalla kykynsä muuntaa CO₂ hiilimonoksidiksi. Tämä yksityiskohta viittaa siihen, että teknologia voitaisiin integroida suoraan uusiutuvilla energialähteillä toimivat reaktorit, ilman välttämättä sähköverkon käyttöä.
Materiaalisuunnittelun näkökulmasta Ag/WO₃-strategia on suhteellisen monipuolinen lähestymistapa, koska samaa tukea voitaisiin yhdistää erilaisia ​​spesifisiä katalyyttejä halutusta lopputuotteesta riippuen, mikä avaa oven laajemmalle valikoimalle aurinkoperäisiä polttoaineita ja kemiallisia yhdisteitä.
Ilmaston vaikutukset, haasteet ja yhdenmukaisuus eurooppalaisten politiikkojen kanssa
La posibilidad de muuntaa CO₂:ta synteettisiksi polttoaineiksi auringonvalon avulla Se sopii täydellisesti eurooppalaisiin hiilestä irtautumisstrategioihin, mutta sen todellinen vaikutus riippuu koko elinkaaresta. Jotta nämä polttoaineet olisivat ilmastoneutraaleja, käytetyn hiilidioksidin on oltava peräisin kaapatut lähteetolipa kyse sitten teollisuuden päästöistä tai suoraan ilmasta, ja koko prosessiin on syötettävä uusiutuvaa energiaa.
Vaikka nämä ehdot täyttyisivätkin, asiantuntijat huomauttavat, että Kokonaistehokkuus on vielä kaukana ihanteellisesta.Jokainen vaihe – hiilidioksidin talteenotto, vedyn tuotanto, muuntaminen nestemäisiksi polttoaineiksi, varastointi ja jakelu – aiheuttaa energiahäviöitä, jotka johtavat taloudellisiin kustannuksiin ja uusiutuvan energian kapasiteetin lisäämisen tarpeeseen.
Silti näillä aurinkopolttoaineilla voisi olla merkittävä rooli niillä aloilla, joilla Suoraan sähköistäminen ei ole helppoa tai korvata olemassa olevat moottorit ja infrastruktuuri lyhyellä aikavälillä. Lentoliikenne, meriliikenne ja tietyt raskaat teollisuudenalat esiintyvät toistuvasti tällä "vaikeasti vähennettävien" alojen listalla.
Energiapolitiikan näkökulmasta herää myös hyvin käytännönläheisiä kysymyksiä: Paljonko litra tällaista polttoainetta maksaa? Verrattuna perinteiseen dieseliin tai bensiiniin, miten se integroidaan olemassa oleviin jalostamoihin ja verkkoihin, ja minkä tasoista tukea nämä teknologiat saavat verrattuna muihin vaihtoehtoihin, kuten sähköajoneuvoihin tai polttokennojen vetyyn?
Euroopassa Panel-to-Fuelin kaltaisten hankkeiden yhdistelmä kansainväliset edistysaskeleet en keinotekoinen fotosynteesi ja uudet katalyytit Se viittaa skenaarioon, jossa hiilidioksidia ei enää pidetä pelkästään ongelmana, vaan osittain resurssina. Ilmaston lämmetessä ja polttoaineiden hintojen vaihdellessa kehitys Auringonvaloon ja hiilidioksidiin perustuvat uusiutuvat synteettiset polttoaineet Se on nousemassa toisiaan täydentäväksi tavaksi, jolla teollisuus ja ympäristö voivat alkaa liikkua samaan suuntaan.