Pārveidot Oglekļa dioksīds un saules gaisma šķidrajā kurināmajā Tā vairs nav tikai eksotiska laboratorijas ideja. Pēdējos gados vairākas Eiropas un Āzijas pētnieku komandas ir spērušas stingrus soļus, lai nodrošinātu, ka daļa no nākotnes degvielām nāk no CO₂, kas pašlaik tiek uzskatīts par atkritumu produktu.
Spānijā projekts, ko vadīja Universitātes Pública de Navarra Tā cieši sadarbojas ar tehnoloģiju centriem un uzņēmumiem, lai izstrādātu ierīces, kas ražo Atjaunojamas sintētiskās degvielas no ūdens un CO₂Tikmēr citās valstīs tiek pilnveidotas mākslīgās fotosintēzes sistēmas, kuras varētu integrēt šajās ražošanas ķēdēs, radot ainu, kurā "degvielas ražošana no gaisa" vairs neizklausās pēc zinātniskās fantastikas.
No paneļa līdz degvielai: degvielas ražošana, izmantojot sauli, ūdeni un CO₂, Spānijā
Projekts Panel-to-Fuel, ko veicina Navarras Publiskā universitāte (UPNA) ar INAMAT² institūta starpniecību, Lurederra Tehnoloģiju centrs un uzņēmums Navarras mašīnbūve (INM)Tā mērķis ir pierādīt, ka tas ir iespējams ražot sintētisko degvielu, izmantojot tikai atjaunojamie resursisaules starojums, ūdens un no gaisa uztvertais CO₂.
Galvenā ideja ir aizstāt daļu no no naftas iegūtas šķidrās degvielas ar alternatīvām, kas ir saderīgas ar pašreizējiem dzinējiem, bet ko rada procesi, kas nepalielina CO₂ daudzumu atmosfērā. Šim nolūkam tiek ierosināts cikls, kurā CO₂ tiek uztverts no gaisa, un zaļais ūdeņradis tiek iegūts, izmantojot saules gaismu. un abi tiek apvienoti, lai radītu sintētiskas degvielas, ko var izmantot transportā.
Šī pieeja ir vērsta uz vienas no galvenajām klimata problēmām risināšanu: grūti elektrificējamu nozaru dekarbonizācija, piemēram, smagajā autotransportā, jūras vai aviācijas nozarē, kur tieša aizstāšana ar akumulatoriem ne vienmēr ir tehniski vai ekonomiski izdevīga.
Projekts neaprobežojas tikai ar ķīmisko vielu izstrādi, bet ietver arī ekonomiskās un vides analīzes lai noskaidrotu, vai šis process vidējā termiņā var konkurēt ar tradicionālajām fosilā kurināmā iespējām un citām atjaunojamām alternatīvām, kas jau ir tirgū.
Fotokatalītisks panelis, kas atdarina augus
Panel-to-Fuel pamatā ir fotokatalītiskais panelis kas darbojas atšķirīgi no parastā fotoelektriskā paneļa. Šī ierīce elektroenerģijas ražošanas vietā izmanto saules gaismu, lai atdalīt ūdens molekulas un ražot ūdeņradibez nepieciešamības izmantot enerģiju no tīkla.
UPNA dizaini reaktori, kas ražoti, izmantojot 3D drukāšanuar ģeometrijām, kas paredzētas aktīvo materiālu optimālai pakļaušanai saules starojumam. Mērķis ir labāk sadalīt gaismu pa virsmu, kur notiek reakcija, tādējādi palielinot no ūdens iegūstamā ūdeņraža daudzumu.
Savukārt Lurederra Tehnoloģiju centrs sniedz savu ieguldījumu. nanomateriāli, kas spēj uztvert un izmantot saules gaismu ar augstu efektivitātiŠie savienojumi darbojas kā fotokatalizatori, tas ir, tie izraisa un paātrina ķīmiskās reakcijas, saņemot fotonus, līdzīgi kā pigmenti augu lapās dabiskās fotosintēzes laikā.
Uzņēmums Ingeniería Navarra Mecánica ir atbildīgs par pirmā integrētā prototipa izstrāde, demonstrācijas iekārta, kas vienā sistēmā apvienos ūdeņraža ražošanu, CO₂ uztveršanu un sekojošu atjaunojamo degvielu sintēzi.
Paralēli šī aprīkojuma izstrādei konsorcijs strādā pie adsorbentu materiāli CO₂ uztveršanai no gaisa, kas spēj noturēt šo gāzi uz savas virsmas un pēc tam to kontrolēti atbrīvot, lai ievadītu konversijas reakcijās.
No CO₂ un ūdeņraža līdz šķidrajam kurināmajam: metanols un Fišera-Tropša metode
Kad esat zaļais ūdeņradis un uztvertais CO₂Nākamais posms ir to pārveidošana molekulās, ko var izmantot kā šķidro degvielu. Luisa Gandía Pascuala un Fernando Bimbela Serrano vadītā komanda analizē divi galvenie maršruti lai to sasniegtu.
Pirmie kūrorti uz metanols kā starpposmsŠajā gadījumā CO₂ reaģē ar ūdeņradi, veidojot metanolu — molekulu, ko savukārt var pārveidot par sarežģītākām degvielām vai tieši izmantot noteiktos rūpniecības un enerģijas pielietojumos.
Otrais maršruts ir balstīts uz pielāgotu procesa versiju. Fišers-Tropšslabi pazīstama tehnoloģija, kas ļauj pārveidot oglekļa monoksīda un ūdeņraža maisījumus par šķidri ogļūdeņraži, kas līdzīgi parastajām degvielāmŠeit galvenais ir pielāgot apstākļus un katalizatorus, lai sāktu ar CO₂, un iegūt piemērotus gāzu maisījumus šī procesa darbināšanai.
Konsorcijs salīdzina abas iespējas, lai noteiktu kurš ceļš vislabāk iederas visā ķēdēŅemot vērā energoefektivitāti, ekspluatācijas izmaksas, tehnisko sarežģītību un integrāciju ar CO₂ uztveršanas moduli un fotokatalītiskās ūdeņraža ražošanas paneli.
Kā apgalvo pētnieks Fernando Bimbela, UPNA QuiProVal grupas vadītājs, izstrādātie prototipi jau ir ļāvuši Iegūstiet saules metānu no CO₂ un zaļā ūdeņražaun tiek strādāts pie tā, lai paplašinātu ogļūdeņražu izmantošanu ar lielāku oglekļa atomu skaitu, kas ir tuvāk ikdienā izmantotajām šķidrajām degvielām.
Izliekts dizains, modulāra sistēma un Eiropas atbalsts
Viens no Panel-to-Fuel projekta atšķirīgajiem elementiem ir a izstrāde. reaktors ar izliektu dizainu Šī konstrukcija koncentrē saules starojumu precīzi tajā apgabalā, kur notiek vissvarīgākās ķīmiskās reakcijas. Šī ģeometrija ļauj labāk izmantot gan saules gaismu, gan siltumu, palielinot sistēmas efektivitāti.
Galīgais mērķis ir iegūt modulāra montāža, kas spēj darboties nepārtraukti un stabilivienlaikus veicot trīs uzdevumus: ūdeņraža ražošanu, CO₂ uztveršanu no gaisa un tā pārveidošanu sintētiskās degvielās. Modularitāte atvieglotu ražošanas jaudu pielāgošanu dažādām vidēm, sākot no pilotiekārtām pētniecības centru tuvumā līdz lielākām rūpnīcām blakus rūpniecības vai loģistikas sektoriem.
Papildus tehniskajam projektam projektā ietilpst arī ekonomiskās iespējamības un ietekmes uz vidi pētījumiIr svarīgi novērtēt, vai šīs sintētiskās degvielas var konkurēt ar parasto dīzeļdegvielu, benzīnu vai petroleju, kā arī ar alternatīvām, piemēram, elektrotransportlīdzekļiem vai saspiestu ūdeņradi.
Panel-to-Fuel funkcijas Valsts pētniecības aģentūras finansējumsNo Atveseļošanās, pārveidošanas un noturības plāns un no Eiropas fondiem Nākamās paaudzes ESkā arī tādu palīdzību kā RENOCogēnsTas pastiprina šāda veida projektu lomu Spānijas un Eiropas Savienības dekarbonizācijas un zaļās reindustrializācijas stratēģijā.
Komandā ir iekļauti tādi UPNA pētnieki kā Luiss Gandija, Fernando Bimbela un Ismaels Pellejerono Lurederras, kā Kristīna Salazara un Karmena Garijo; un no uzņēmuma Ingeniería Navarra Mecánica, tostarp no tiem Uxue LlorenteTas apliecina ciešu sadarbību starp universitāti, tehnoloģiju centru un uzņēmējdarbības sektoru.
Mākslīgā fotosintēze: starptautiski sasniegumi saules degvielas virzienā
Kamēr Navarrā tiek strādāts pie visa procesa integrēšanas vienotā modulārā sistēmā, citas starptautiskas grupas gūst panākumus papildinošā komponenta izstrādē: augstas veiktspējas fotoniskie katalizatori spēj pārveidot CO₂, izmantojot tikai saules gaismu un ūdeni kā galvenās izejvielas.
Nesens piemērs ir no komandas, kas darbojas Ķīnas Zinātņu akadēmija un no Honkongas Zinātnes un tehnoloģiju universitātes, kas ir prezentējusi sistēmu mākslīgā fotosintēze publicēts žurnālā Nature Communications. Viņu pieeja ietver materiāla Ag/WO₃ izmantošanu — ar sudrabu modificētu volframa trioksīdu, kas darbojas kā sava veida īslaicīga elektronu uzglabāšana katalizatorā.
Kad šis materiāls tiek apgaismots, tas var uzglabāt un atbrīvot elektronus kontrolētā veidā, kas ir galvenais, lai efektīvāk samazinātu CO₂. Apvienojumā ar kobalta bāzes molekulāro katalizatoru, kobalta ftalocianīnsSistēmai izdodas pārveidot CO₂ un ūdeni par oglekļa monoksīds ar ātrumu, kas ir ievērojami lielāks nekā iepriekšējām konfigurācijām.
Laboratorijas apstākļos ražošanas līmeņi ir aptuveni 1,5 milimoli oglekļa monoksīda uz gramu katalizatora stundāaptuveni simts reižu vairāk nekā tas pats kobalta katalizators bez Ag/WO₃ nodrošinātā “lādiņa rezervuāra”. Lai gan joprojām nelielā mērogā, veiktspējas uzlabojums ir zinātniski nozīmīgs.
Ka oglekļa monoksīds nav degviela, kas gatava lietošanai tvertnē, bet tas ir viens no pamata ķīmiskie pamatelementi sintētisko degvielu ražošanai, izmantojot jau zināmus rūpnieciskus ceļus, piemēram, gāzes sintēzi (sintēzes gāzi), kam seko Fišera-Tropša tipa procesi, tieši tādu pašu loģiku, kas tiek pētīta tādos projektos kā Panel-to-Fuel.
Tīrāks dizains: ūdens kā elektronu avots
Viena no daudzu mākslīgās fotosintēzes shēmu izplatītākajām problēmām ir nepieciešamība izmantot vienreizējās lietošanas aģentiPapildu vielas veicina reakciju, bet tiek patērētas un rada atkritumus. Ķīniešu dizains mēģina pārvarēt šo ierobežojumu, izmantojot Ūdens kā elektronu avots, pieeja, kas ir tuvāka īstas lapas darbībai.
Dabā tādas molekulas kā plastohinons īslaicīgi uzglabā elektronus, lai koordinētu vairākas fotoķīmiskās reakcijas vienlaikusIedvesmojoties no šīs uzvedības, Ag/WO₃ sistēma ļauj volframam mainīt oksidācijas stāvokli, uzņemot un atdodot elektronus, lai katalizatoram, kas reducē CO₂, būtu pieejams lielāks lādiņš ilgāku laiku.
Šis mehānisms periodiska uzlādes uzglabāšana Tas samazina zudumus un uzlabo procesa kopējo efektivitāti, kas ir būtiski, lai šīs sistēmas no laboratorijas pārietu uz praktiskiem pielietojumiem, kur produkta kilograma izmaksas ir izšķirošas.
Interesanti ir tas, ka ierīce darbojas ne tikai kontrolētā mākslīgā apgaismojumā, bet ir arī pārbaudīta ar dabiska saules gaismavienlaikus saglabājot spēju pārveidot CO₂ par oglekļa monoksīdu. Šī detaļa liek domāt, ka tehnoloģiju varētu integrēt reaktori, ko darbina tieši no atjaunojamiem energoresursiem, ne vienmēr izmantojot elektrotīklu.
No materiālu dizaina viedokļa Ag/WO₃ stratēģija ir samērā daudzpusīga pieeja, jo to pašu atbalstu var kombinēt ar dažādi specifiski katalizatori atkarībā no vēlamā gala produkta, paverot durvis plašākam saules izcelsmes degvielu un ķīmisko savienojumu klāstam.
Klimata ietekme, izaicinājumi un saskaņotība ar Eiropas politikas nostādnēm
Iespēja ar saules gaismas palīdzību pārveidot CO₂ sintētiskās degvielās Tas lieliski iederas Eiropas dekarbonizācijas stratēģijās, taču tā patiesais ieguldījums būs atkarīgs no visa dzīves cikla. Lai šīs degvielas būtu klimatneitrālas, izmantotajam CO₂ ir jābūt iegūtam no uztvertie avotineatkarīgi no tā, vai tās ir rūpnieciskās emisijas vai tieši no gaisa, un visam procesam ir jāpievada atjaunojamā enerģija.
Pat ja šie nosacījumi ir izpildīti, eksperti norāda, ka Kopējā efektivitāte joprojām ir tālu no ideāla.Katrs posms — CO₂ uztveršana, ūdeņraža ražošana, pārvēršana šķidrajā kurināmajā, uzglabāšana un sadale — ir saistīts ar enerģijas zudumiem, kas rada ekonomiskās izmaksas un nepieciešamību pēc lielākas uzstādītās atjaunojamo energoresursu jaudas.
Pat ja tā, šīm saules degvielām varētu būt būtiska loma tajās nozarēs, kur Nav viegli tieši elektrificēt vai īstermiņā nomainīt esošos dzinējus un infrastruktūru. Aviācija, jūras transports un noteiktas smagās rūpniecības nozares atkārtoti parādās šajā “grūti samazināmo” nozaru sarakstā.
No enerģētikas politikas viedokļa rodas arī ļoti praktiski jautājumi: Cik maksās litrs šāda veida degvielas? Salīdzinot ar tradicionālo dīzeļdegvielu vai benzīnu, kā tas tiks integrēts esošajās pārstrādes rūpnīcās un tīklos, un kādu atbalsta līmeni šīs tehnoloģijas saņems salīdzinājumā ar citām iespējām, piemēram, elektrotransportlīdzekļiem vai ūdeņradi degvielas elementiem?
Eiropā tādu projektu kā Panel-to-Fuel apvienojums ar starptautiskie sasniegumi en mākslīgā fotosintēze un jauni katalizatori Tas norāda uz scenāriju, kurā CO₂ vairs netiek uzskatīts tikai par problēmu, bet gan daļēji par resursu. Klimatam sasilstot un degvielas cenām svārstoties, attīstība... Atjaunojamās sintētiskās degvielas, kuru pamatā ir saules gaisma un CO₂ Tas veidojas kā papildinošs veids, kā rūpniecība un vide var sākt virzīties vienā virzienā.