Tukarkan karbon dioksida dan cahaya matahari dalam bahan api cecair Ia bukan lagi sekadar idea makmal eksotik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, beberapa pasukan penyelidikan Eropah dan Asia telah mengambil langkah tegas untuk memastikan sebahagian daripada bahan api masa depan datang daripada CO₂, yang kini dianggap sebagai produk sisa.
Di Sepanyol, satu projek yang diketuai oleh Universiti Awam Navarra Ia bekerjasama rapat dengan pusat teknologi dan syarikat untuk mereka bentuk peranti yang menghasilkan bahan api sintetik boleh diperbaharui daripada air dan CO₂Sementara itu, di negara lain, sistem fotosintesis buatan sedang disempurnakan yang boleh diintegrasikan ke dalam rantaian pengeluaran ini, melukiskan gambaran di mana "membuat bahan api dari udara" tidak lagi kedengaran seperti fiksyen sains.
Panel-ke-Bahan Api: pembuatan bahan api dengan matahari, air dan CO₂ di Sepanyol
Projek itu Panel-ke-Bahan Api, yang dipromosikan oleh Universiti Awam Navarra (UPNA) melalui institut INAMAT², Pusat Teknologi Lurederra dan syarikat Kejuruteraan Mekanikal Navarra (INM)Ia bertujuan untuk menunjukkan bahawa ia mungkin menghasilkan bahan api sintetik hanya menggunakan sumber yang boleh diperbaharui: sinaran suria, air dan CO₂ yang ditangkap dari udara.
Idea utama adalah untuk menggantikan sebahagian daripada bahan api cecair yang berasal daripada petroleum oleh alternatif yang serasi dengan enjin semasa, tetapi dijana melalui proses yang tidak meningkatkan CO₂ di atmosfera. Untuk tujuan ini, satu kitaran dicadangkan di mana CO₂ ditangkap dari udara, dan hidrogen hijau diperoleh menggunakan cahaya matahari. dan kedua-duanya digabungkan untuk menghasilkan bahan api sintetik yang boleh digunakan dalam pengangkutan.
Pendekatan ini bertujuan untuk menangani salah satu cabaran iklim utama: penyahkarbonan sektor-sektor yang sukar untuk dielektrifikasikan, seperti pengangkutan jalan raya berat, maritim atau penerbangan, yang mana penggantian langsung dengan bateri tidak selalunya berdaya maju dari segi teknikal atau ekonomi.
Projek ini tidak terhad kepada pembangunan kimia, tetapi juga merangkumi analisis ekonomi dan alam sekitar untuk mengetahui sama ada proses tersebut boleh bersaing, dalam jangka masa sederhana, dengan pilihan bahan api fosil tradisional dan alternatif boleh diperbaharui lain yang sedia ada di pasaran.
Panel fotopemangkin yang meniru tumbuhan
Di tengah-tengah Panel-ke-Bahan Api terletaknya panel fotopemangkin yang berfungsi secara berbeza daripada panel fotovoltaik konvensional. Peranti ini menggunakan cahaya matahari daripada menjana elektrik untuk mengasingkan molekul air dan menghasilkan hidrogentanpa perlu menggunakan tenaga daripada grid.
Reka bentuk UPNA reaktor yang dihasilkan menggunakan percetakan 3Ddengan geometri yang direka bentuk untuk mendedahkan bahan aktif kepada sinaran suria secara optimum. Matlamatnya adalah untuk mengagihkan cahaya dengan lebih baik merentasi permukaan tempat tindak balas berlaku, sekali gus meningkatkan jumlah hidrogen yang boleh diperolehi daripada air.
Bagi pihaknya, Pusat Teknologi Lurederra menyumbang bahan nano yang mampu menangkap dan memanfaatkan cahaya matahari dengan kecekapan tinggiSebatian ini bertindak sebagai fotokatalis, iaitu, ia mencetuskan dan mempercepatkan tindak balas kimia apabila menerima foton, sama seperti apa yang dilakukan oleh pigmen dalam daun tumbuhan semasa fotosintesis semula jadi.
Syarikat Ingeniería Navarra Mecánica bertanggungjawab ke atas kejuruteraan prototaip bersepadu pertama, sebuah unit demonstrasi yang akan menggabungkan penghasilan hidrogen, penangkapan CO₂ dan sintesis bahan api boleh diperbaharui seterusnya dalam satu sistem.
Selari dengan pembangunan peralatan ini, konsortium ini sedang berusaha bahan penjerap untuk menangkap CO₂ dari udara, mampu mengekalkan gas ini pada permukaannya dan kemudian melepaskannya secara terkawal untuk memasukkannya ke dalam tindak balas penukaran.
Daripada CO₂ dan hidrogen kepada bahan api cecair: metanol dan Fischer-Tropsch
Sebaik sahaja anda mempunyai hidrogen hijau dan CO₂ yang ditangkapPeringkat seterusnya adalah untuk mengubahnya menjadi molekul yang boleh digunakan sebagai bahan api cecair. Pasukan yang diketuai oleh Luis Gandía Pascual dan Fernando Bimbela Serrano sedang menganalisis dua laluan utama untuk mencapainya
Pusat peranginan pertama untuk metanol sebagai langkah perantaraanDalam kes ini, CO₂ bertindak balas dengan hidrogen untuk membentuk metanol, sejenis molekul yang seterusnya boleh diubah menjadi bahan api yang lebih kompleks atau digunakan secara langsung dalam aplikasi perindustrian dan tenaga tertentu.
Laluan kedua adalah berdasarkan versi proses yang diadaptasi Fischer-Tropschsatu teknologi terkenal yang membolehkan penukaran campuran karbon monoksida dan hidrogen kepada hidrokarbon cecair yang serupa dengan bahan api konvensionalKuncinya di sini adalah untuk melaraskan keadaan dan pemangkin untuk bermula dengan CO₂ dan mendapatkan campuran gas yang sesuai untuk memacu proses tersebut.
Konsortium membandingkan kedua-dua pilihan untuk menentukan laluan yang paling sesuai dengan rantaian lengkapDengan mengambil kira kecekapan tenaga, kos operasi, kerumitan teknikal dan penyepaduan dengan modul penangkapan CO₂ dan panel pengeluaran hidrogen fotopemangkin.
Menurut penyelidik Fernando Bimbela, ketua kumpulan QuiProVal di UPNA, prototaip yang dibangunkan telah pun membolehkan Dapatkan metana solar daripada CO₂ dan hidrogen hijaudan kerja-kerja sedang dijalankan untuk meningkatkan penggunaan hidrokarbon dengan bilangan atom karbon yang lebih tinggi, lebih hampir dengan bahan api cecair yang digunakan setiap hari.
Reka bentuk melengkung, sistem modular dan sokongan Eropah
Salah satu elemen tersendiri Panel-ke-Bahan Api ialah pembangunan a reaktor dengan reka bentuk melengkung Reka bentuk ini menumpukan sinaran suria tepat di kawasan di mana tindak balas kimia yang paling penting berlaku. Geometri ini membolehkan penggunaan cahaya matahari dan haba yang lebih baik, sekali gus meningkatkan kecekapan sistem.
Matlamat utama adalah untuk mempunyai pemasangan modular yang mampu beroperasi secara berterusan dan stabilmelaksanakan tiga tugas secara serentak: menghasilkan hidrogen, menangkap CO₂ dari udara, dan mengubahnya menjadi bahan api sintetik. Modulariti akan memudahkan penyesuaian kapasiti pengeluaran kepada persekitaran yang berbeza, daripada kemudahan perintis berhampiran pusat penyelidikan kepada loji berskala lebih besar bersebelahan dengan sektor perindustrian atau logistik.
Selain reka bentuk teknikal, projek ini merangkumi kajian kebolehlaksanaan ekonomi dan impak alam sekitarpenting untuk menilai sama ada bahan api sintetik ini boleh bersaing dengan diesel, petrol atau minyak tanah konvensional, serta menentang alternatif seperti kenderaan elektrik atau hidrogen termampat.
Ciri-ciri Panel-ke-Bahan Api pembiayaan daripada Agensi Penyelidikan NegeriDaripada Rancangan Pemulihan, Transformasi dan Ketahanan dan daripada dana Eropah NextGenereatu.serta bantuan seperti RENOCogenIni memperkukuh peranan projek jenis ini dalam strategi penyahkarbonan dan perindustrian semula hijau Sepanyol dan Kesatuan Eropah.
Pasukan ini terdiri daripada penyelidik dari UPNA seperti Luis Gandía, Fernando Bimbela dan Ismael Pellejero; dari Lurederra, sebagai Cristina Salazar dan Carmen Garijo; dan daripada syarikat Ingeniería Navarra Mecánica, antaranya Uxue LlorenteIni menunjukkan kerjasama erat antara universiti, pusat teknologi dan sektor perniagaan.
Fotosintesis buatan: kemajuan antarabangsa menunjukkan bahan api solar
Semasa di Navarre mereka sedang berusaha untuk mengintegrasikan keseluruhan proses ke dalam satu sistem modular, kumpulan antarabangsa lain sedang membuat kemajuan pada komponen pelengkap: pemangkin fotonik berprestasi tinggi mampu mengubah CO₂ hanya menggunakan cahaya matahari dan air sebagai input utama.
Satu contoh baru-baru ini datang daripada sebuah pasukan dalam Akademi Sains Cina dan dari Universiti Sains dan Teknologi Hong Kong, yang telah membentangkan sistem fotosintesis buatan diterbitkan dalam jurnal Nature Communications. Pendekatan mereka melibatkan penggunaan bahan yang dipanggil Ag/WO₃, iaitu tungsten trioksida yang diubah suai perak, yang bertindak sebagai sejenis penyimpanan elektron sementara dalam pemangkin.
Apabila bahan ini diterangi, ia boleh menyimpan dan melepaskan elektron dengan cara yang terkawal, yang merupakan kunci untuk mengurangkan CO₂ dengan lebih cekap. Apabila digabungkan dengan pemangkin molekul berasaskan kobalt, kobalt ftalosianinaSistem ini berjaya menukar CO₂ dan air kepada karbon monoksida dengan kelajuan yang jauh lebih baik daripada konfigurasi sebelumnya.
Di bawah keadaan makmal, tahap pengeluaran pada peringkat 1,5 milimol karbon monoksida setiap gram mangkin sejamkira-kira seratus kali lebih banyak daripada mangkin kobalt yang sama tanpa "takungan cas" yang disediakan oleh Ag/WO₃. Walaupun masih pada skala kecil, peningkatan prestasi adalah signifikan secara saintifik.
Karbon monoksida bukanlah bahan api yang sedia untuk digunakan dalam tangki, tetapi ia merupakan salah satu daripada blok binaan kimia asas untuk pembuatan bahan api sintetik, melalui laluan perindustrian yang sudah diketahui seperti sintesis gas (syngas) diikuti dengan proses jenis Fischer-Tropsch, logik yang sama seperti yang diterokai dalam projek seperti Panel-ke-Bahan Api.
Reka bentuk yang lebih bersih: air sebagai sumber elektron
Salah satu masalah biasa dengan banyak skim fotosintesis buatan ialah keperluan untuk menggunakan ejen yang boleh dibuangBahan tambahan memudahkan tindak balas tetapi dimakan dan menghasilkan sisa. Reka bentuk Cina cuba mengatasi batasan ini dengan menggunakan air sebagai sumber elektron, pendekatan yang lebih hampir dengan fungsi daun sebenar.
Secara semula jadi, molekul seperti plastokuinon menyimpan elektron secara ringkas untuk menyelaras beberapa tindak balas fotokimia sekaligusDiinspirasikan oleh kelakuan ini, sistem Ag/WO₃ membolehkan tungsten mengubah keadaan pengoksidaannya dengan menerima dan melepaskan elektron, supaya pemangkin yang mengurangkan CO₂ mempunyai lebih banyak cas yang tersedia untuk masa yang lebih lama.
Mekanisme ini penyimpanan cas sekejap-sekejap Ia mengurangkan kerugian dan meningkatkan kecekapan keseluruhan proses, yang penting jika sistem ini ingin beralih daripada makmal kepada aplikasi praktikal yang mana kos setiap kilogram produk adalah penting.
Satu perkara yang menarik ialah peranti ini bukan sahaja berfungsi di bawah pencahayaan buatan yang terkawal, tetapi juga telah diuji dengan cahaya matahari semula jadisambil mengekalkan keupayaannya untuk mengubah CO₂ menjadi karbon monoksida. Perincian ini menunjukkan bahawa teknologi ini boleh diintegrasikan ke dalam reaktor yang dikuasakan secara langsung oleh tenaga boleh diperbaharui, tanpa semestinya menggunakan grid elektrik.
Dari perspektif reka bentuk bahan, strategi Ag/WO₃ menampilkan dirinya sebagai pendekatan yang agak versatil, kerana sokongan yang sama boleh digabungkan dengan pemangkin khusus yang berbeza bergantung pada produk akhir yang diingini, membuka pintu kepada pelbagai jenis bahan api dan sebatian kimia yang berasal dari solar.
Impak iklim, cabaran dan penjajaran dengan dasar Eropah
Kemungkinan menukar CO₂ kepada bahan api sintetik dengan bantuan cahaya matahari Ia sesuai dengan strategi penyahkarbonan Eropah, tetapi sumbangan sebenar akan bergantung pada keseluruhan kitaran hayat. Agar bahan api ini neutral iklim, CO₂ yang digunakan mesti datang dari sumber yang ditangkapsama ada pelepasan industri atau terus dari udara, dan keseluruhan proses mesti disuap dengan tenaga boleh diperbaharui.
Walaupun syarat-syarat tersebut dipenuhi, pakar menegaskan bahawa Kecekapan keseluruhan masih jauh daripada ideal.Setiap peringkat — penangkapan CO₂, pengeluaran hidrogen, penukaran kepada bahan api cecair, penyimpanan dan pengedaran — melibatkan kehilangan tenaga yang diterjemahkan kepada kos ekonomi dan keperluan untuk lebih banyak kapasiti boleh diperbaharui yang dipasang.
Walaupun begitu, bahan api solar ini boleh memainkan peranan yang relevan dalam sektor-sektor di mana Bukan mudah untuk dielektrikkan secara langsung atau menggantikan enjin dan infrastruktur sedia ada dalam jangka pendek. Penerbangan, pengangkutan maritim dan industri berat tertentu muncul berulang kali dalam senarai "sukar untuk dikurangkan" ini.
Dari perspektif dasar tenaga, persoalan yang sangat praktikal juga timbul: Berapakah kos seliter bahan api jenis ini? Berbanding dengan diesel atau petrol tradisional, bagaimanakah ia akan disepadukan ke dalam kilang penapisan dan rangkaian sedia ada, dan apakah tahap sokongan yang akan diterima oleh teknologi ini berbanding pilihan lain seperti kenderaan elektrik atau hidrogen untuk sel bahan api?
Di Eropah, gabungan projek seperti Panel-ke-Bahan Api dengan kemajuan antarabangsa en fotosintesis buatan dan pemangkin baharu Ia menunjukkan senario di mana CO₂ tidak lagi dilihat semata-mata sebagai masalah dan dianggap sebahagiannya sebagai sumber. Apabila iklim semakin panas dan harga bahan api berubah-ubah, pembangunan bahan api sintetik boleh diperbaharui berdasarkan cahaya matahari dan CO₂ Ia muncul sebagai cara yang saling melengkapi untuk industri dan alam sekitar mula bergerak ke arah yang sama.