Naukowcy wykazują pełną produkcję węglowodorów zasilanych energią słoneczną

sekwestracja dwutlenku węgla. produkcja wodoru. Paliwo syntetyczne. Wszystkie te technologie zostały zasugerowane jako potencjalne zasoby do radzenia sobie z kryzysami spowodowanymi emisją dwutlenku węgla. Chociaż pracowali w małych demonstracjach, większość z nich nie wykazała się zdolnością do skalowania, aby zapewnić rozwiązania ekonomiczne, których potrzebujemy.

Tymczasem grupa europejskich naukowców postrzega metody jako część jednej, spójnej platformy produkcyjnej, przechodzącej od światła słonecznego i powietrza do nafty. Dzięki niewielkiej instalacji na dachu laboratorium w Zurychu zespół produkował niewielkie ilości różnych paliw przy użyciu kilku luster i kilku komór reakcyjnych. Chociaż cały proces produkcyjny będzie musiał również wykazać się skalowalnością, naukowcy są przekonani, że platforma może napędzać cały przemysł samolotów komercyjnych, wykorzystując niewielką część ziemi na pustyni.

operacja

Proces przekształcania powietrza w paliwo składa się tylko z trzech etapów. Pierwszym z nich jest oddzielenie surowców, zwłaszcza dwutlenku węgla i wody. Odbywa się to za pomocą małej jednostki handlowej oddziału ETH w Zurychu; Urządzenie wykorzystuje cykl ogrzewania/chłodzenia oraz aminy, które pochłaniają zarówno dwutlenek węgla₂ i H₂O w temperaturach otoczenia i uwalniane po podgrzaniu. Co najważniejsze, dostarczana woda jest niezwykle czysta i nie konkuruje z wieloma innymi zastosowaniami czystej wody.

Stamtąd materiał jest przesyłany do innej jednostki, która przekształca go w tlenek węgla i wodór, ponownie wykorzystując cykl ogrzewania/chłodzenia. W procesie wykorzystuje się tlenek ceru, który w wysokich temperaturach ulega częściowemu rozkładowi i uwalnia tlen. Po powrocie do temperatury otoczenia cer usunie tlen z dowolnego źródła (woda lub dwutlenek węgla), z którym się pojawi. Wysokie ciepło potrzebne do napędzania tego procesu jest dostarczane przez szereg luster, które skupiają wpadające światło słoneczne, a komora reakcyjna osiąga szczytową wartość ponad 5000 słońc podczas ogrzewania. Ogrzewanie wystarcza do jednoczesnej obsługi dwóch z tych komór reakcyjnych – jednej na wodę i jednej na dwutlenek węgla – poprzez przesuwanie ogniska luster tam i z powrotem.

Powstały tlenek węgla i wodór są przesyłane do drugiej komory reakcyjnej, gdzie handlowy katalizator na bazie miedzi może przekształcić je w paliwa, takie jak metanol lub nafta, z wydajnością reakcji określoną przez precyzyjną mieszankę założonych materiałów. Ten etap wymaga wysokich ciśnień i wysokich temperatur.

System nie jest całkowicie samowystarczalny. Zawory muszą być otwierane i zamykane, a gazy sprężone. Ale podłączenie panelu fotowoltaicznego i akumulatora do obsługi tych zadań byłoby stosunkowo trywialne. Ciepło wykorzystywane w pierwszym i ostatnim etapie można również zapewnić przez ekstrakcję ciepła odpadowego z wyższych temperatur stosowanych podczas środkowego etapu.

W bardzo małych skalach zastosowanych tutaj proces był bardzo powolny. W ciągu jednego dnia, przy siedmiu godzinach korzystnego światła słonecznego, zestaw wyprodukował 32 mililitry metanolu, który został zmieszany z wodą jako głównym zanieczyszczeniem. Naprzemienna mieszanina reakcyjna pozwoliła na wytworzenie nafty, która jest znacznie łatwiejsza do rozdzielenia. W porównaniu z zanieczyszczeniami znajdującymi się w nafcie pochodzącej z paliw kopalnych, wyniki tutaj były dobre. Nafta syntetyczna nie zawiera substancji chemicznych zawierających siarkę i azot, które powodują powstawanie sadzy i innych zanieczyszczeń.

Czy to się rozszerzy?

Generalnie wyniki są jednoznaczne: proces może działać, ale nie jest wystarczająco produktywny, aby był znaczący w obecnym stanie, dlatego duża część artykułu dotyczy optymalizacji i skalowania. Optymalizacja jest często kwestią wielu drobnych ulepszeń, takich jak lepsze wykorzystanie ciepła odpadowego w celu zapewnienia, że ​​całe niezbędne ciepło jest dostarczane przez falowniki słoneczne. Inne cele obejmują lepsze katalizatory i bardziej wydajne sposoby przechowywania gazów między etapami.

Następnie pojawia się kwestia rozmiaru. Naukowcy szacują, że aby zapewnić codzienny lot w obie strony między Nowym Jorkiem a Londynem, naukowcy szacują, że potrzeba 10 farm lustrzanych, które kierują światło słoneczne do pokojów reakcyjnych w obszarze, który otrzymuje silne, stałe światło słoneczne. Oznacza to pokrycie lustrami około 3,8 kilometra kwadratowego pustyni. (Dla kontekstu jest to około jedna czwarta wielkości Kalifornii Obiekt słoneczny Ivanpa.)

Zapewnienie wszystkich komercyjnych paliw do silników odrzutowych wymagałoby przechwycenia ponad połowy jednego procenta powierzchni Sahary. Oznacza to kawałek ziemi luster.

Naukowcy sugerują, że prawdopodobnie zobaczymy dramatyczne redukcje kosztów obserwowane w przypadku innych zasobów odnawialnych, w tym technologii takich jak: Koncentracja energii słonecznej. Ta technologia oparta na lusterkach odnotowała 60-procentowy spadek cen w ciągu ostatnich 15 lat. Ale jest wątpliwe, czy możliwe są spadki cen, które widzieliśmy w przypadku fotowoltaiki, biorąc pod uwagę znaczne koszty fizyczne wszystkich tych luster i związanego z nimi sprzętu, a także koszty utrzymania ich w czystości.

Z drugiej strony koszty CSP nadal spadają i prawdopodobnie wiele z tych oszczędności zostanie przeznaczonych na chemię napędzaną ciepłem, taką jak ta. Możliwe, że ta podstawowa koncepcja – zielona chemia zasilana energią słoneczną – mogłaby zostać zaadaptowana do produkcji paliwa o wyższej wartości niż nafta.

charakter temperamentu, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04174-y (O DOI).