Konvertálja a szén-dioxid és napfény folyékony tüzelőanyagokban Ez már nem csupán egy egzotikus laboratóriumi ötlet. Az elmúlt években számos európai és ázsiai kutatócsoport tett határozott lépéseket annak érdekében, hogy a jövő üzemanyagainak egy része CO₂-ből származzon, amelyet jelenleg hulladéknak tekintenek.
Spanyolországban egy, a ... által vezetett projekt Navarra Pública Universidad Szorosan együttműködik technológiai központokkal és vállalatokkal olyan eszközök tervezésében, amelyek Megújuló szintetikus üzemanyagok vízből és CO₂-bőlEközben más országokban mesterséges fotoszintézis-rendszereket tökéletesítenek, amelyek integrálhatók lennének ezekbe a termelési láncokba, olyan képet festve, amelyben az „üzemanyag előállítása levegőből” már nem hangzik sci-finek.
Panelből üzemanyaggá: üzemanyagok gyártása nap, víz és CO₂ felhasználásával Spanyolországban
A projekt Panel-üzemanyag rendszer, amelyet a Navarrai Állami Egyetem (UPNA) támogatott az INAMAT² intézeten keresztül, a Lurederra Technológiai Központ és a társaság Navarra Gépészmérnöki Kar (INM)Célja annak bemutatása, hogy lehetséges szintetikus üzemanyagokat állít elő, kizárólag megújuló erőforrásoknapsugárzás, víz és a levegőből leválasztott CO₂.
A központi gondolat egy részének cseréje kőolajból származó folyékony üzemanyagok a jelenlegi motorokkal kompatibilis alternatívákkal, de olyan folyamatokkal állítják elő, amelyek nem növelik a légkörben lévő CO₂-t. Ennek érdekében egy olyan ciklust javasolnak, amelyben A CO₂-t a levegőből vonják ki, a napfény segítségével pedig zöld hidrogént nyernek. és mindkettőt kombinálják, hogy a közlekedésben felhasználható szintetikus üzemanyagokat hozzanak létre.
Ez a megközelítés az egyik legnagyobb éghajlati kihívás kezelésére törekszik: a nehezen villamosítható ágazatok dekarbonizációja, mint például a nehéz közúti szállítás, a tengeri vagy a légi közlekedés, ahol az akkumulátorokkal való közvetlen csere technikailag vagy gazdaságilag nem mindig megvalósítható.
A projekt nem korlátozódik a kémiai fejlesztésre, hanem magában foglalja gazdasági és környezeti elemzések annak kiderítése, hogy a folyamat középtávon versenyképes-e a hagyományos fosszilis tüzelőanyag-opciókkal és a piacon már jelen lévő egyéb megújuló alternatívákkal.
Növényeket utánzó fotokatalitikus panel
A Panel-to-Fuel középpontjában egy fotokatalitikus panel amely másképp működik, mint egy hagyományos fotovoltaikus panel. Áramtermelés helyett ez a készülék napfényt használ szétválasztják a vízmolekulákat és hidrogént termelnekanélkül, hogy a hálózatról kellene energiát használni.
UPNA tervek 3D nyomtatással gyártott reaktorokolyan geometriákkal, amelyek optimálisan teszik ki az aktív anyagokat a napsugárzásnak. A cél a fény jobb eloszlása azon a felületen, ahol a reakció végbemegy, ezáltal növelve a vízből kinyerhető hidrogén mennyiségét.
A Lurederra Technológiai Központ a maga részéről hozzájárul nanorészecskék, amelyek képesek nagy hatékonysággal befogni és hasznosítani a napfénytEzek a vegyületek fotokatalizátorként működnek, vagyis fotonok hatására kémiai reakciókat indítanak el és gyorsítanak fel, hasonlóan ahhoz, amit a növényi levelek pigmentjei tesznek a természetes fotoszintézis során.
Az Ingeniería Navarra Mecánica cég a felelős az első integrált prototípus tervezése, egy demonstrációs egység, amely egyetlen rendszerben egyesíti a hidrogéntermelést, a CO₂ megkötését és a megújuló üzemanyagok ezt követő szintézisét.
A berendezés fejlesztésével párhuzamosan a konzorcium a következőn dolgozik: adszorbens anyagok a CO₂ levegőből történő megkötésére, képesek ezt a gázt a felületükön megtartani, majd szabályozott módon felszabadítani, hogy bevezessék az átalakulási reakciókba.
A CO₂-től és a hidrogéntől a folyékony üzemanyagokig: metanol és Fischer-Tropsch-szűrő
Miután megvan zöld hidrogén és megkötött CO₂A következő lépés az, hogy folyékony üzemanyagként használható molekulákká alakítsák őket. A Luis Gandía Pascual és Fernando Bimbela Serrano vezette csapat elemzi a... két fő útvonal hogy elkészítsem.
Az első üdülőhelyek metanol köztes lépéskéntEbben az esetben a CO₂ hidrogénnel reagálva metanolt képez, amely molekula viszont összetettebb üzemanyagokká alakítható, vagy közvetlenül felhasználható bizonyos ipari és energetikai alkalmazásokban.
A második útvonal a folyamat egy adaptált változatán alapul. Fischer-Tropschegy jól ismert technológia, amely lehetővé teszi a szén-monoxid és hidrogén keverékeinek szén-monoxiddá alakítását folyékony szénhidrogének, amelyek hasonlóak a hagyományos üzemanyagokhozA kulcs itt a körülmények és a katalizátorok beállítása, hogy CO₂-vel induljanak, és megfelelő gázkeverékeket kapjanak a folyamat táplálására.
A konzorcium összehasonlítja a két lehetőséget, hogy meghatározza melyik útvonal illeszkedik legjobban a teljes láncbaFigyelembe véve az energiahatékonyságot, az üzemeltetési költségeket, a műszaki bonyolultságot, valamint a CO₂-leválasztó modullal és a fotokatalitikus hidrogéntermelő panellel való integrációt.
Fernando Bimbela kutató, az UPNA QuiProVal csoportjának vezetője szerint a kifejlesztett prototípusok már lehetővé tették Napenergiával előállított metán kinyerése CO₂-ből és zöld hidrogénbőlés folyamatban van a munka a nagyobb szénatomszámú szénhidrogének felé való elterjesztésre, amelyek közelebb állnak a naponta használt folyékony üzemanyagokhoz.
Ívelt kialakítás, moduláris rendszer és európai támogatás
A Panel-to-Fuel egyik megkülönböztető eleme egy olyan rendszer kifejlesztése, ívelt kialakítású reaktor Ez a kialakítás pontosan arra a területre koncentrálja a napsugárzást, ahol a legfontosabb kémiai reakciók zajlanak. Ez a geometria lehetővé teszi a napfény és a hő jobb felhasználását, növelve a rendszer hatékonyságát.
A végső cél az, hogy legyen egy moduláris összeszerelés, amely folyamatos és stabil működésre képeshárom feladat egyidejű ellátása: hidrogén előállítása, CO₂ leválasztása a levegőből, és szintetikus üzemanyagokká alakítása. A modularitás megkönnyítené a termelési kapacitás különböző környezetekhez való igazítását, a kutatóközpontok közelében lévő kísérleti létesítményektől az ipari vagy logisztikai szektorok melletti nagyobb üzemekig.
A műszaki tervezésen túl a projekt magában foglalja gazdasági megvalósíthatósági és környezeti hatástanulmányokelengedhetetlen annak felmérése, hogy ezek a szintetikus üzemanyagok versenyképesek-e a hagyományos dízellel, benzinnel vagy kerozinnal, valamint az olyan alternatívákkal szemben, mint az elektromos járművek vagy a sűrített hidrogén.
Panel-to-Fuel funkciók az Állami Kutatási Ügynökség finanszírozása, a Helyreállítási, átalakítási és rugalmassági terv és európai alapokból NextGenerationEUvalamint olyan segélyeket, mint pl. RENOCogenEz megerősíti az ilyen típusú projektek szerepét Spanyolország és az Európai Unió dekarbonizációs és zöld újraiparosítási stratégiájában.
A csapatban olyan UPNA kutatók is részt vesznek, mint Luis Gandía, Fernando Bimbela és Ismael Pellejero; Lurederrából, mint Cristina Salazar és Carmen Garijo; és köztük az Ingeniería Navarra Mecánica cégtől Uxue LlorenteEz szoros együttműködést mutat az egyetem, a technológiai központ és az üzleti szféra között.
Mesterséges fotoszintézis: a nemzetközi előrelépések a napelemes üzemanyagok felé mutatnak
Míg Navarrában azon dolgoznak, hogy a teljes folyamatot egyetlen moduláris rendszerbe integrálják, más nemzetközi csoportok a kiegészítő komponensen haladnak előre: nagy teljesítményű fotonikus katalizátorok képes a CO₂ átalakítására, kizárólag napfényt és vizet használva fő bemenetként.
Egy friss példa egy csapattól származik, Kínai Tudományos Akadémia és a Hongkongi Tudományos és Technológiai Egyetemről, amely bemutatott egy rendszert mesterséges fotoszintézis a Nature Communications folyóiratban jelent meg. Megközelítésük egy Ag/WO₃ nevű anyag, egy ezüsttel módosított volfrám-trioxid használatát foglalja magában, amely egyfajta ideiglenes elektrontárolás a katalizátoron belül.
Amikor ezt az anyagot megvilágítják, akkor az elektronok tárolása és felszabadítása szabályozott módon, ami kulcsfontosságú a CO₂ hatékonyabb csökkentéséhez. Kobaltalapú molekuláris katalizátorral kombinálva a kobalt-ftalocianinA rendszer képes CO₂-t és vizet szén-dioxiddá és vízzé alakítani. szén-monoxid a korábbi konfigurációkhoz képest jóval nagyobb sebességgel.
Laboratóriumi körülmények között a termelési szintek nagyságrendileg 1,5 millimol szén-monoxid/gramm katalizátor/órakörülbelül százszor annyi, mint ugyanazon kobaltkatalizátor teljesítménye az Ag/WO₃ által biztosított „töltéstartály” nélkül. Bár még mindig kis léptékben, a teljesítményjavulás tudományosan jelentős.
Hogy a szén-monoxid nem tartályban használható üzemanyag, de az egyik alapvető kémiai építőelemek szintetikus üzemanyagok gyártásához, a már ismert ipari útvonalakon, mint például a gázszintézis (szintézisgáz), amelyet Fischer-Tropsch típusú folyamatok követnek, pontosan ugyanazt a logikát követve, mint amelyet olyan projektekben is vizsgálnak, mint a Panel-to-Fuel.
Tisztább dizájn: a víz, mint elektronforrás
A mesterséges fotoszintézis-rendszerek egyik gyakori problémája az alkalmazásuk szükségessége eldobható ügynökökTovábbi anyagok elősegítik a reakciót, de elfogynak és hulladékot termelnek. A kínai tervezés ezt a korlátozást úgy próbálja meg leküzdeni, hogy a víz, mint elektronforrás, egy megközelítés, amely közelebb áll egy valódi levél működéséhez.
A természetben az olyan molekulák, mint a plasztokinon, rövid ideig elektronokat tárolnak a koordináció érdekében. több fotokémiai reakció egyszerreEzen viselkedés ihlette az Ag/WO₃ rendszert, amely lehetővé teszi a volfrám számára, hogy elektronok felvételével és leadásával megváltoztassa oxidációs állapotát, így a CO₂-t redukáló katalizátor hosszabb ideig nagyobb töltéssel rendelkezik.
Ez a mechanizmus szakaszos töltéstárolás Csökkenti a veszteségeket és javítja a folyamat általános hatékonyságát, ami elengedhetetlen ahhoz, hogy ezek a rendszerek a laboratóriumból a gyakorlati alkalmazásokba kerüljenek, ahol a termék kilogrammonkénti költsége döntő fontosságú.
Érdekesség, hogy a készülék nemcsak szabályozott mesterséges megvilágítás mellett működik, hanem azzal is tesztelték természetes napfénymiközben megőrzi a CO₂ szén-monoxiddá alakításának képességét. Ez a részlet arra utal, hogy a technológia integrálható a közvetlenül megújuló energiaforrásokkal működő reaktorok, anélkül, hogy feltétlenül elektromos hálózatot használna.
Anyagtervezési szempontból az Ag/WO₃ stratégia viszonylag sokoldalú megközelítésnek tűnik, mivel ugyanaz a hordozó kombinálható a következőkkel: különböző specifikus katalizátorok a kívánt végterméktől függően, megnyitva az utat a napenergia eredetű üzemanyagok és kémiai vegyületek szélesebb köre előtt.
Az éghajlatváltozás hatása, kihívásai és az európai politikákkal való összhang
La posibilidad de napfény segítségével CO₂-t szintetikus üzemanyaggá alakít Tökéletesen illeszkedik az európai dekarbonizációs stratégiákba, de a valódi hozzájárulása a teljes életciklustól függ. Ahhoz, hogy ezek az üzemanyagok klímasemlegesek legyenek, a felhasznált CO₂-nek a következő helyekről kell származnia: rögzített forrásokakár ipari kibocsátásokról, akár közvetlenül a levegőből származik, és a teljes folyamatot el kell látni megújuló energia.
Még ha ezek a feltételek teljesülnek is, a szakértők rámutatnak, hogy a Az összhatékonyság még messze van az ideálistól.Minden egyes szakasz – a CO₂-leválasztás, a hidrogéntermelés, a folyékony tüzelőanyaggá való átalakítás, a tárolás és az elosztás – energiaveszteséggel jár, ami gazdasági költségeket és a megújuló energiaforrások telepítésének szükségességét vonja maga után.
Ennek ellenére ezek a napelemes üzemanyagok releváns szerepet játszhatnak azokban az ágazatokban, ahol Nem könnyű közvetlenül villamosítani vagy rövid távon lecserélik a meglévő motorokat és infrastruktúrát. A légi közlekedés, a tengeri szállítás és bizonyos nehéziparágak ismételten szerepelnek ezen a „nehezen csökkenthető” listán.
Energiapolitikai szempontból nagyon is gyakorlati kérdések is felmerülnek: Mennyibe fog kerülni egy liter ebből a fajta üzemanyagból? A hagyományos dízelhez vagy benzinhez képest hogyan integrálják majd a meglévő finomítókba és hálózatokba, és milyen szintű támogatást kapnak majd ezek a technológiák más lehetőségekhez, például az elektromos járművekhez vagy az üzemanyagcellákban használt hidrogénhez képest?
Európában az olyan projektek kombinációja, mint a Panel-to-Fuel, nemzetközi előrelépések en mesterséges fotoszintézis és új katalizátorok Egy olyan forgatókönyvre utal, amelyben a CO₂-t már nem csupán problémának tekintik, hanem részben erőforrásnak is. Ahogy az éghajlat melegszik és az üzemanyagárak ingadoznak, a fejlesztés... napfényből és CO₂-ből származó megújuló szintetikus üzemanyagok Egyre inkább egy kiegészítő módja annak, hogy az ipar és a környezetvédelem ugyanabba az irányba haladjon.