Преобразовать углекислый газ и солнечный свет в жидком топливе Это уже не просто экзотическая лабораторная идея. В последние годы несколько европейских и азиатских исследовательских групп предпринимают решительные шаги для обеспечения того, чтобы часть топлива будущего производилась из CO₂, который в настоящее время считается отходом.
В Испании реализуется проект под руководством Публичный университет Наварры Оно тесно сотрудничает с технологическими центрами и компаниями для разработки устройств, которые производят возобновляемые синтетические виды топлива из воды и CO₂Тем временем в других странах совершенствуются системы искусственного фотосинтеза, которые можно интегрировать в эти производственные цепочки, создавая картину, в которой "производство топлива из воздуха" уже не звучит как научная фантастика.
Технология «от панели к топливу»: производство топлива с использованием солнца, воды и CO₂ в Испании.
В рамках проекта Панель-к-топливуПроект, продвигаемый Государственным университетом Наварры (UPNA) через институт INAMAT², Технологический центр Луредерра и компания Наваррский факультет машиностроения (INM)Цель состоит в том, чтобы продемонстрировать, что это возможно. производить синтетическое топливо, используя только возобновляемые ресурсы: солнечное излучение, вода и CO₂, улавливаемые из воздуха.
Основная идея заключается в замене части жидкое топливо, получаемое из нефти за счет альтернативных вариантов, совместимых с существующими двигателями, но генерируемых посредством процессов, которые не увеличивают содержание CO₂ в атмосфере. С этой целью предлагается цикл, в котором Углекислый газ улавливается из воздуха, а «зеленый» водород получают с помощью солнечного света. И оба вида топлива объединяются для создания синтетического топлива, пригодного для использования в транспорте.
Этот подход направлен на решение одной из главных климатических проблем: декарбонизация секторов, которые трудно электрифицироватьнапример, в тяжелом автомобильном транспорте, морском транспорте или авиации, где прямая замена батареями не всегда технически или экономически целесообразна.
Проект не ограничивается разработкой химических веществ, но также включает в себя... экономический и экологический анализ выяснить, сможет ли этот процесс в среднесрочной перспективе конкурировать с традиционными вариантами использования ископаемого топлива и другими возобновляемыми альтернативами, уже представленными на рынке.
Фотокаталитическая панель, имитирующая растения.
В основе технологии Panel-to-Fuel лежит фотокаталитическая панель Это устройство работает иначе, чем обычная фотоэлектрическая панель. Вместо выработки электроэнергии оно использует солнечный свет для... разделять молекулы воды и производить водородбез необходимости использования энергии из сети.
UPNA разрабатывает реакторы, изготовленные с использованием 3D-печатис геометрическими параметрами, разработанными для оптимального воздействия солнечного излучения на активные материалы. Цель состоит в том, чтобы лучше распределять свет по поверхности, где происходит реакция, тем самым увеличивая количество водорода, которое можно получить из воды.
Со своей стороны, Технологический центр Луредерра вносит свой вклад. наноматериалы, способные с высокой эффективностью улавливать и использовать солнечный свет.Эти соединения действуют как фотокатализаторы, то есть они запускают и ускоряют химические реакции при получении фотонов, подобно тому, как пигменты в листьях растений действуют во время естественного фотосинтеза.
Компания Ingeniería Navarra Mecánica отвечает за разработка первого интегрированного прототипаЭто демонстрационный образец, который объединит в одной системе производство водорода, улавливание CO₂ и последующий синтез возобновляемых видов топлива.
Параллельно с разработкой этого оборудования консорциум работает над адсорбционные материалы для улавливания CO₂ из воздухаспособные удерживать этот газ на своей поверхности, а затем контролируемым образом высвобождать его для участия в реакциях превращения.
От CO₂ и водорода к жидкому топливу: метанол и метод Фишера-Тропша
Как только у вас будет зеленый водород и уловленный CO₂Следующий этап — преобразование их в молекулы, которые можно использовать в качестве жидкого топлива. Группа исследователей под руководством Луиса Гандиа Паскуаля и Фернандо Бимбелы Серрано проводит анализ этих молекул. два основных маршрута для достижения этой цели.
Первый прибегает к метанол как промежуточный этапВ этом случае CO₂ реагирует с водородом, образуя метанол — молекулу, которая, в свою очередь, может быть преобразована в более сложные виды топлива или использована непосредственно в некоторых промышленных и энергетических целях.
Второй вариант основан на адаптированной версии процесса. Фишера-ТропшаИзвестная технология, позволяющая преобразовывать смеси оксида углерода и водорода в жидкие углеводороды, аналогичные традиционным видам топливаКлючевым моментом здесь является корректировка условий и катализаторов таким образом, чтобы в качестве исходного сырья использовался CO₂, а также получение подходящих газовых смесей для обеспечения работы этого процесса.
Консорциум сравнивает оба варианта, чтобы определить... Какой путь лучше всего вписывается в полную цепочку?С учетом энергоэффективности, эксплуатационных расходов, технической сложности и интеграции с модулем улавливания CO₂ и панелью фотокаталитического производства водорода.
По словам исследователя Фернандо Бимбелы, руководителя группы QuiProVal в UPNA, разработанные прототипы уже позволили Получение метана из CO₂ с помощью солнечной энергии и получение «зеленого» водорода.Ведется работа по наращиванию масштабов производства углеводородов с большим количеством атомов углерода, более близких к жидкому топливу, используемому ежедневно.
Изогнутый дизайн, модульная система и европейская поддержка.
Одной из отличительных особенностей проекта Panel-to-Fuel является разработка реактор с изогнутой конструкцией Эта конструкция концентрирует солнечное излучение именно в той области, где происходят наиболее важные химические реакции. Такая геометрия позволяет лучше использовать как солнечный свет, так и тепло, повышая эффективность системы.
Конечная цель — иметь модульная сборка, способная к непрерывной и стабильной работеВыполнение трех задач одновременно: производство водорода, улавливание CO₂ из воздуха и преобразование его в синтетическое топливо. Модульная конструкция позволит адаптировать производственные мощности к различным условиям, от пилотных установок рядом с исследовательскими центрами до более крупных заводов, расположенных вблизи промышленных или логистических предприятий.
Помимо технического проектирования, проект включает в себя исследования экономической целесообразности и воздействия на окружающую средуКрайне важно оценить, смогут ли эти синтетические виды топлива конкурировать с обычным дизельным топливом, бензином или керосином, а также с альтернативами, такими как электромобили или сжатый водород.
Функции «от панели до топлива» финансирование от Государственного научно-исследовательского агентства, то План восстановления, трансформации и устойчивости и из европейских фондов Следующее поколениеЕСа также помощь, например: РЕНОКогенЭто подтверждает роль проектов такого типа в стратегии декарбонизации и «зеленой» реиндустриализации Испании и Европейского союза.
В состав команды входят исследователи из UPNA, такие как... Луис Гандия, Фернандо Бимбела и Исмаэль Пеллехеро; из Луредерры, как Кристина Салазар и Кармен Гарихо; и от компании Ingeniería Navarra Mecánica, среди них Уксуэ ЛьорентеЭто свидетельствует о тесном сотрудничестве между университетом, технологическим центром и бизнес-сектором.
Искусственный фотосинтез: международные достижения указывают на возможность использования солнечного топлива.
В то время как в Наварре ведется работа по интеграции всего процесса в единую модульную систему, другие международные группы добиваются прогресса в разработке дополнительного компонента: высокоэффективные фотонные катализаторы способный преобразовывать CO₂ с использованием в качестве основных источников только солнечного света и воды.
Недавний пример — от одной команды в Китайская академия наук а также от Гонконгского университета науки и технологий, который представил систему искусственный фотосинтез Статья опубликована в журнале Nature Communications. Их подход включает использование материала под названием Ag/WO₃, модифицированного серебром триоксида вольфрама, который действует как своего рода временное хранение электронов внутри катализатора.
При освещении этот материал может хранить и высвобождать электроны контролируемым образом, что является ключом к более эффективному снижению выбросов CO₂. В сочетании с молекулярным катализатором на основе кобальта, фталоцианин кобальтаСистема способна преобразовывать CO₂ и воду в монооксид углерода со скоростью, значительно превосходящей скорость предыдущих конфигураций.
В лабораторных условиях уровни производства составляют порядка 1,5 миллимоля оксида углерода на грамм катализатора в часПримерно в сто раз больше, чем у того же кобальтового катализатора без «резервуара заряда», обеспечиваемого Ag/WO₃. Хотя это пока еще небольшие масштабы, улучшение характеристик имеет важное научное значение.
Угарный газ не является топливом, готовым к использованию в баке, но он составляет одну из его составляющих. основные химические строительные блоки для производства синтетического топливаиспользуя уже известные промышленные методы, такие как синтез газа (синтез-газ) с последующими процессами типа Фишера-Тропша, — именно та же логика, которая исследуется в таких проектах, как Panel-to-Fuel.
Более экологичная конструкция: вода как источник электронов.
Одна из распространенных проблем многих схем искусственного фотосинтеза заключается в необходимости использования расходные агентыДополнительные вещества способствуют реакции, но расходуются и образуют отходы. В китайской разработке предпринимается попытка преодолеть это ограничение с помощью... вода как источник электронов, подход, более приближенный к функционированию настоящего листа.
В природе такие молекулы, как пластохинон, кратковременно запасают электроны для координации. несколько фотохимических реакций одновременноВдохновленная этим явлением, система Ag/WO₃ позволяет вольфраму изменять свою степень окисления, принимая и отдавая электроны, благодаря чему катализатор, восстанавливающий CO₂, имеет больше доступного заряда в течение более длительного времени.
Этот механизм прерывистое хранение заряда Это снижает потери и повышает общую эффективность процесса, что крайне важно для перехода от лабораторных исследований к практическому применению этих систем, где стоимость килограмма продукции имеет решающее значение.
Интересный момент заключается в том, что устройство работает не только при контролируемом искусственном освещении, но и было протестировано с использованием других источников света. естественный солнечный светпри этом сохраняя способность преобразовывать CO₂ в оксид углерода. Эта деталь позволяет предположить, что технология может быть интегрирована в различные системы. реакторы, работающие непосредственно на возобновляемых источниках энергии, без обязательного использования электросети.
С точки зрения проектирования материалов, стратегия Ag/WO₃ представляет собой относительно универсальный подход, поскольку одну и ту же подложку можно комбинировать с различные специфические катализаторы В зависимости от желаемого конечного продукта, это открывает двери для более широкого спектра видов топлива и химических соединений солнечного происхождения.
Влияние изменения климата, проблемы и соответствие европейской политике.
Возможность Преобразование CO₂ в синтетическое топливо с помощью солнечного света Это идеально вписывается в европейские стратегии декарбонизации, но его реальный вклад будет зависеть от всего жизненного цикла. Для того чтобы эти виды топлива были климатически нейтральными, используемый CO₂ должен поступать из... захваченные источникибудь то промышленные выбросы или выбросы непосредственно из воздуха, весь процесс должен обеспечиваться необходимыми веществами. возобновляемые источники энергии.
Даже при соблюдении этих условий, как отмечают эксперты, Общая эффективность по-прежнему далека от идеальной.Каждый этап — улавливание CO₂, производство водорода, преобразование в жидкое топливо, хранение и распределение — сопряжен с потерями энергии, которые приводят к экономическим издержкам и необходимости увеличения установленных мощностей возобновляемой энергетики.
Тем не менее, эти виды солнечного топлива могут сыграть важную роль в тех секторах, где Провести электрификацию напрямую непросто. или заменить существующие двигатели и инфраструктуру в краткосрочной перспективе. Авиация, морской транспорт и некоторые отрасли тяжелой промышленности неоднократно фигурируют в этом списке «трудно поддающихся сокращению».
С точки зрения энергетической политики возникают и весьма практические вопросы: Сколько будет стоить литр этого вида топлива? Как эти технологии будут интегрированы в существующие нефтеперерабатывающие заводы и сети по сравнению с традиционным дизельным топливом или бензином, и какой уровень поддержки они получат по сравнению с другими вариантами, такими как электромобили или водород для топливных элементов?
В Европе сочетание таких проектов, как Panel-to-Fuel, с международные достижения en искусственный фотосинтез и новые катализаторы Это указывает на сценарий, в котором CO₂ больше не рассматривается исключительно как проблема и частично как ресурс. По мере потепления климата и колебаний цен на топливо развитие возобновляемые синтетические виды топлива на основе солнечного света и CO₂ Это становится взаимодополняющим способом для промышленности и охраны окружающей среды начать двигаться в одном направлении.