Перетворіть вуглекислий газ і сонячне світло в рідкому паливі Це вже не просто екзотична лабораторна ідея. В останні роки кілька європейських та азійських дослідницьких груп вживають рішучих заходів для того, щоб деякі види палива майбутнього вироблялися з CO₂, який наразі вважається відходом.
В Іспанії проект під керівництвом Університет Публіки де Наварра Він тісно співпрацює з технологічними центрами та компаніями для розробки пристроїв, які виробляють відновлюване синтетичне паливо з води та CO₂Тим часом в інших країнах удосконалюються системи штучного фотосинтезу, які можна було б інтегрувати в ці виробничі ланцюги, створюючи картину, в якій «виготовлення палива з повітря» більше не звучить як наукова фантастика.
Від панелі до палива: виробництво палива за допомогою сонця, води та CO₂ в Іспанії
Проект Від панелі до палива, що просувається Державним університетом Наварри (UPNA) через інститут INAMAT², Технологічний центр Луредерра і компанії Наваррський машинобудівний факультет (INM)Він має на меті продемонструвати, що це можливо виробляють синтетичне паливо, використовуючи лише відновлювані ресурси: сонячна радіація, вода та CO₂, що поглинаються з повітря.
Центральна ідея полягає в заміні частини рідке паливо, отримане з нафти альтернативами, сумісними з сучасними двигунами, але виробленими за допомогою процесів, які не збільшують вміст CO₂ в атмосфері. З цією метою пропонується цикл, у якому CO₂ вловлюється з повітря, а зелений водень отримують за допомогою сонячного світла. і обидва поєднуються для створення синтетичного палива, яке можна використовувати в транспорті.
Цей підхід спрямований на вирішення однієї з основних кліматичних проблем: декарбонізація секторів, які важко електрифікувати, таких як важкий автомобільний транспорт, морський або авіаційний транспорт, де пряма заміна акумуляторами не завжди є технічно або економічно доцільною.
Проєкт не обмежується хімічною розробкою, а й включає економічний та екологічний аналіз щоб з'ясувати, чи зможе цей процес конкурувати в середньостроковій перспективі з традиційними варіантами викопного палива та іншими відновлюваними альтернативами, які вже є на ринку.
Фотокаталітична панель, що імітує рослини
В основі концепції «Від панелі до палива» лежить фотокаталітична панель яка працює інакше, ніж звичайна фотоелектрична панель. Замість вироблення електроенергії цей пристрій використовує сонячне світло для розділяють молекули води та утворюють воденьбез необхідності використовувати енергію з мережі.
Дизайн UPNA реактори, виготовлені за допомогою 3D-друкуз геометрією, розробленою для оптимального впливу сонячного випромінювання на активні матеріали. Мета полягає в кращому розподілі світла по поверхні, де відбувається реакція, тим самим збільшуючи кількість водню, який можна отримати з води.
Зі свого боку, Технологічний центр Луредерра робить свій внесок наноматеріали, здатні захоплювати та використовувати сонячне світло з високою ефективністюЦі сполуки діють як фотокаталізатори, тобто вони запускають та прискорюють хімічні реакції, коли отримують фотони, подібно до того, що роблять пігменти в листі рослин під час природного фотосинтезу.
За це відповідає компанія Ingeniería Navarra Mecánica розробка першого інтегрованого прототипу, демонстраційну установку, яка об'єднає в одній системі виробництво водню, уловлювання CO₂ та подальший синтез відновлюваного палива.
Паралельно з розробкою цього обладнання консорціум працює над адсорбуючі матеріали для захоплення CO₂ з повітря, здатні утримувати цей газ на своїй поверхні, а потім контрольовано вивільняти його для введення в реакції перетворення.
Від CO₂ та водню до рідкого палива: метанол та Фішер-Тропш
Як тільки ви зелений водень та захоплений CO₂Наступний етап — перетворити їх на молекули, які можна використовувати як рідке паливо. Команда під керівництвом Луїса Гандіа Паскуаля та Фернандо Бімбели Серрано аналізує два основні маршрути досягти цього
Перші курорти до метанол як проміжний етапУ цьому випадку CO₂ реагує з воднем, утворюючи метанол, молекулу, яку, у свою чергу, можна перетворити на складніші види палива або використовувати безпосередньо в певних промислових та енергетичних цілях.
Другий шлях базується на адаптованій версії процесу Фішера-Тропшадобре відома технологія, яка дозволяє перетворювати суміші чадного газу та водню на рідкі вуглеводні, подібні до традиційного паливаКлючовим моментом тут є коригування умов і каталізаторів для початку з CO₂ та отримання відповідних газових сумішей для підживлення цього процесу.
Консорціум порівнює обидва варіанти, щоб визначити який шлях найкраще вписується в повний ланцюгВраховуючи енергоефективність, експлуатаційні витрати, технічну складність та інтеграцію з модулем уловлювання CO₂ та фотокаталітичною панеллю виробництва водню.
За словами дослідника Фернандо Бімбели, керівника групи QuiProVal в UPNA, розроблені прототипи вже дозволили Отримання сонячного метану з CO₂ та зеленого водню, і триває робота над розширенням виробництва вуглеводнів з більшою кількістю атомів вуглецю, ближчих до рідкого палива, яке використовується щодня.
Вигнутий дизайн, модульна система та європейська підтримка
Одним із відмінних елементів концепції «Від панелей до палива» є розробка реактор із вигнутою конструкцією Така конструкція концентрує сонячне випромінювання саме в тій області, де відбуваються найважливіші хімічні реакції. Така геометрія дозволяє краще використовувати як сонячне світло, так і тепло, підвищуючи ефективність системи.
Кінцева мета полягає в тому, щоб мати модульна конструкція, здатна до безперервної та стабільної роботивиконання трьох завдань одночасно: виробництва водню, захоплення CO₂ з повітря та перетворення його на синтетичне паливо. Модульність сприятиме адаптації виробничих потужностей до різних середовищ, від пілотних об'єктів поблизу дослідницьких центрів до великомасштабних заводів, розташованих поруч із промисловим або логістичним секторами.
Окрім технічного проекту, проект включає дослідження економічної доцільності та впливу на навколишнє середовищеважливо оцінити, чи можуть ці синтетичні види палива конкурувати зі звичайним дизельним паливом, бензином або гасом, а також з такими альтернативами, як електромобілі або стиснений водень.
Функції «Від панелі до палива» фінансування від Державного агентства досліджень, План відновлення, трансформації та стійкості та з європейських фондів NextGenerationEUа також допомога, така як РЕНОКОГЕНЦе підсилює роль такого типу проектів у стратегії декарбонізації та зеленої реіндустріалізації Іспанії та Європейського Союзу.
До складу команди входять дослідники з UPNA, такі як Луїс Гандія, Фернандо Бімбела та Ісмаель Пеллехероз Луредерри, як Крістіна Салазар і Кармен Гаріхо; і від компанії Ingeniería Navarra Mecánica, серед них Уксуе ЛьорентеЦе демонструє тісну співпрацю між університетом, технологічним центром та бізнес-сектором.
Штучний фотосинтез: міжнародні досягнення, що вказують на використання сонячного палива
Поки в Наваррі працюють над інтеграцією всього процесу в єдину модульну систему, інші міжнародні групи досягають прогресу в розробці додаткового компонента: високопродуктивні фотонні каталізатори здатний перетворювати CO₂, використовуючи лише сонячне світло та воду як основні вхідні дані.
Нещодавній приклад походить від команди в Академія наук Китаю та з Гонконзького університету науки і технологій, який представив систему штучний фотосинтез опубліковано в журналі Nature Communications. Їхній підхід передбачає використання матеріалу під назвою Ag/WO₃, модифікованого сріблом триоксиду вольфраму, який діє як свого роду тимчасове зберігання електронів у каталізаторі.
Коли цей матеріал освітлюється, він може зберігати та вивільняти електрони контрольованим чином, що є ключем до ефективнішого зменшення викидів CO₂. У поєднанні з молекулярним каталізатором на основі кобальту, фталоціанін кобальтуСистемі вдається перетворювати CO₂ та воду на окис вуглецю зі швидкістю, що значно перевищує швидкість попередніх конфігурацій.
У лабораторних умовах рівень виробництва порядку 1,5 мілімоля монооксиду вуглецю на грам каталізатора на годинуприблизно в сто разів більше, ніж у того ж кобальтового каталізатора без «резервуара заряду», що забезпечується Ag/WO₃. Хоча покращення продуктивності все ще відбувається в невеликих масштабах, воно є науково значущим.
Цей чадний газ не є паливом, готовим для використання в баку, але він є одним із основні хімічні будівельні блоки для виробництва синтетичного палива, через уже відомі промислові шляхи, такі як синтез газу (синтез-газ), а потім процеси типу Фішера-Тропша, саме та сама логіка, що досліджується в таких проектах, як «Від панелі до палива».
Чистіший дизайн: вода як джерело електронів
Одна з поширених проблем багатьох схем штучного фотосинтезу полягає в необхідності використання витратні матеріалиДодаткові речовини сприяють реакції, але споживаються та утворюють відходи. Китайський дизайн намагається подолати це обмеження, використовуючи вода як джерело електронів, підхід, ближчий до функціонування справжнього листка.
У природі молекули, такі як пластохінон, ненадовго зберігають електрони для координації кілька фотохімічних реакцій одночасноНатхненна цією поведінкою, система Ag/WO₃ дозволяє вольфраму змінювати свій стан окиснення, приймаючи та віддаючи електрони, завдяки чому каталізатор, який відновлює CO₂, має більше заряду, доступного протягом тривалішого часу.
Цей механізм періодичне зберігання заряду Це зменшує втрати та підвищує загальну ефективність процесу, що є важливим для переходу цих систем від лабораторії до практичного застосування, де вартість кілограма продукту має вирішальне значення.
Цікавим моментом є те, що пристрій працює не лише під контрольованим штучним освітленням, але й був протестований з природне сонячне світлозберігаючи при цьому свою здатність перетворювати CO₂ на чадний газ. Ця деталь свідчить про те, що технологія зрештою може бути інтегрована в реактори, що працюють безпосередньо на відновлюваних джерелах енергії, без обов'язкового використання електричної мережі.
З точки зору дизайну матеріалів, стратегія Ag/WO₃ є відносно універсальним підходом, оскільки ту саму підтримку можна поєднувати з різні специфічні каталізатори залежно від бажаного кінцевого продукту, відкриваючи шлях до ширшого спектру палива та хімічних сполук сонячного походження.
Вплив на клімат, проблеми та відповідність європейській політиці
Можливість перетворюють CO₂ на синтетичне паливо за допомогою сонячного світла Це ідеально вписується в європейські стратегії декарбонізації, але його реальний внесок залежатиме від усього життєвого циклу. Щоб ці види палива були кліматично нейтральними, CO₂, що використовуються, повинен надходити з захоплені джерелачи то промислові викиди, чи безпосередньо з повітря, і весь процес повинен забезпечуватися поновлювані джерела енергії.
Навіть коли ці умови дотримані, експерти зазначають, що Загальна ефективність все ще далека від ідеальної.Кожен етап — уловлювання CO₂, виробництво водню, перетворення на рідке паливо, зберігання та розподіл — пов’язаний з втратами енергії, які призводять до економічних витрат та потреби у більшій встановленій потужності відновлюваної енергетики.
Навіть попри це, це сонячне паливо може відігравати важливу роль у тих секторах, де Нелегко електризувати безпосередньо або замінити існуючі двигуни та інфраструктуру в короткостроковій перспективі. Авіація, морський транспорт та деякі галузі важкої промисловості неодноразово фігурують у цьому списку «важко скоротити».
З точки зору енергетичної політики, виникають також дуже практичні питання: Скільки коштуватиме літр такого пального? Порівняно з традиційним дизельним паливом або бензином, як воно буде інтегровано в існуючі нафтопереробні заводи та мережі, і який рівень підтримки отримають ці технології порівняно з іншими варіантами, такими як електромобілі або водень для паливних елементів?
У Європі поєднання таких проектів, як «Від панелі до палива», з міжнародні досягнення en штучний фотосинтез та нові каталізатори Це вказує на сценарій, за якого CO₂ більше не розглядається виключно як проблема, а частково як ресурс. Зі зростанням клімату та коливанням цін на паливо, розвиток відновлюване синтетичне паливо на основі сонячного світла та CO₂ Це стає доповнюючим способом для промисловості та довкілля почати рухатися в одному напрямку.