I-convert ang carbon dioxide at sikat ng araw sa mga likidong panggatong Hindi na ito basta isang kakaibang ideya lamang para sa laboratoryo. Sa mga nakaraang taon, maraming pangkat ng pananaliksik sa Europa at Asya ang gumagawa ng matatag na mga hakbang upang matiyak na ang ilan sa mga panggatong sa hinaharap ay nagmumula sa CO₂, na kasalukuyang itinuturing na isang basurang produkto.
Sa Espanya, isang proyektong pinangunahan ng Public University ng Navarra Malapit itong nakikipagtulungan sa mga sentro ng teknolohiya at mga kumpanya upang magdisenyo ng mga aparato na gumagawa mga nababagong sintetikong panggatong mula sa tubig at CO₂Samantala, sa ibang mga bansa, ang mga artipisyal na sistema ng potosintesis ay pinapabuti na maaaring maisama sa mga kadena ng produksyon na ito, na nagpapakita ng isang larawan kung saan ang "paggawa ng panggatong mula sa hangin" ay hindi na parang science fiction.
Panel-to-Fuel: paggawa ng mga panggatong gamit ang araw, tubig at CO₂ sa Espanya
Ang proyekto Panel-to-Fuel, na itinataguyod ng Pampublikong Unibersidad ng Navarra (UPNA) sa pamamagitan ng INAMAT² institute, ang Sentro ng Teknolohiya ng Lurederra at ang kumpanya Inhinyerong Mekanikal ng Navarra (INM)Layunin nitong patunayan na posible paggawa ng mga sintetikong gasolina gamit lamang ang nababagong mapagkukunan: radyasyon ng araw, tubig at CO₂ na nakukuha mula sa himpapawid.
Ang pangunahing ideya ay palitan ang isang bahagi ng mga likidong panggatong na nagmula sa petrolyo sa pamamagitan ng mga alternatibong tugma sa kasalukuyang mga makina, ngunit nalilikha sa pamamagitan ng mga prosesong hindi nagpapataas ng CO₂ sa atmospera. Para sa layuning ito, isang siklo ang iminungkahi kung saan Ang CO₂ ay nakukuha mula sa himpapawid, at ang berdeng hydrogen ay nakukuha gamit ang sikat ng araw. at pareho itong pinagsama upang lumikha ng mga sintetikong panggatong na magagamit sa transportasyon.
Ang pamamaraang ito ay naglalayong tugunan ang isa sa mga pangunahing hamon sa klima: dekarbonisasyon ng mga sektor na mahirap bigyan ng kuryente, tulad ng mabibigat na transportasyon sa kalsada, maritima o abyasyon, kung saan ang direktang pagpapalit gamit ang mga baterya ay hindi palaging teknikal o ekonomikong magagamit.
Ang proyekto ay hindi limitado sa pagpapaunlad ng kemikal, kundi kabilang din dito ang mga pagsusuri sa ekonomiya at kapaligiran upang malaman kung ang proseso ay maaaring makipagkumpitensya, sa katamtamang termino, sa mga tradisyonal na opsyon sa fossil fuel at iba pang mga renewable na alternatibo na nasa merkado na.
Isang photocatalytic panel na ginagaya ang mga halaman
Sa puso ng Panel-to-Fuel ay nakasalalay ang panel na potokatalitiko na gumagana nang iba mula sa isang kumbensyonal na photovoltaic panel. Sa halip na lumikha ng kuryente, ang aparatong ito ay gumagamit ng sikat ng araw upang paghihiwalayin ang mga molekula ng tubig at lumikha ng hydrogennang hindi kinakailangang gumamit ng enerhiya mula sa grid.
Mga disenyo ng UPNA mga reaktor na ginawa gamit ang 3D printingna may mga heometriya na idinisenyo upang mailantad nang husto ang mga aktibong materyales sa radyasyon ng araw. Ang layunin ay upang mas mahusay na maipamahagi ang liwanag sa ibabaw kung saan nagaganap ang reaksyon, sa gayon ay mapataas ang dami ng hydrogen na maaaring makuha mula sa tubig.
Sa bahagi nito, ang Lurederra Technology Centre ay nakakatulong mga nanomaterial na may kakayahang kumuha at gumamit ng sikat ng araw nang may mataas na kahusayanAng mga compound na ito ay kumikilos bilang mga photocatalyst, ibig sabihin, pinasisigla at pinapabilis nila ang mga reaksiyong kemikal kapag nakatanggap sila ng mga photon, katulad ng ginagawa ng mga pigment sa mga dahon ng halaman sa panahon ng natural na photosynthesis.
Ang kumpanyang Ingeniería Navarra Mecánica ang namamahala sa inhinyeriya ng unang pinagsamang prototype, isang demonstration unit na magsasama-sama sa iisang sistema ang produksyon ng hydrogen, ang pagkuha ng CO₂ at ang kasunod na sintesis ng mga renewable fuel.
Kasabay ng pagbuo ng kagamitang ito, ang konsorsyum ay nagtatrabaho sa mga materyales na sumisipsip upang makuha ang CO₂ mula sa hangin, na may kakayahang mapanatili ang gas na ito sa kanilang ibabaw at pagkatapos ay ilabas ito sa isang kontroladong paraan upang ipakilala ito sa mga reaksyon ng conversion.
Mula sa CO₂ at hydrogen hanggang sa mga likidong panggatong: methanol at Fischer-Tropsch
Kapag mayroon ka na berdeng hydrogen at nakuhang CO₂Ang susunod na yugto ay ang pagbabago ng mga ito upang maging mga molekula na maaaring gamitin bilang likidong panggatong. Sinusuri ng pangkat na pinamumunuan nina Luis Gandía Pascual at Fernando Bimbela Serrano dalawang pangunahing ruta upang makamit ito
Ang mga unang resort sa methanol bilang isang pansamantalang hakbangSa kasong ito, ang CO₂ ay tumutugon sa hydrogen upang bumuo ng methanol, isang molekula na, naman, ay maaaring maging mas kumplikadong mga panggatong o direktang gamitin sa ilang partikular na aplikasyon sa industriya at enerhiya.
Ang pangalawang ruta ay batay sa isang inangkop na bersyon ng proseso Fischer-Tropschisang kilalang teknolohiya na nagpapahintulot sa pag-convert ng mga pinaghalong carbon monoxide at hydrogen sa mga likidong hydrocarbon na katulad ng mga konbensyonal na panggatongAng susi rito ay ang pagsasaayos ng mga kondisyon at mga katalista upang magsimula sa CO₂ at kumuha ng mga angkop na pinaghalong gas upang pasiglahin ang prosesong iyon.
Pinaghahambing ng konsorsyum ang parehong opsyon upang matukoy aling landas ang pinakaangkop sa kumpletong kadenaIsinasaalang-alang ang kahusayan ng enerhiya, mga gastos sa pagpapatakbo, teknikal na kasalimuotan at integrasyon sa CO₂ capture module at sa photocatalytic hydrogen production panel.
Ayon sa mananaliksik na si Fernando Bimbela, pinuno ng grupong QuiProVal sa UPNA, ang mga prototype na nabuo ay nagbigay-daan na Kumuha ng solar methane mula sa CO₂ at berdeng hydrogenat may isinasagawang trabaho upang mapalawak ang paggamit nito patungo sa mga hydrocarbon na may mas mataas na bilang ng mga atomo ng carbon, na mas malapit sa mga likidong panggatong na ginagamit araw-araw.
Disenyong kurbado, modular system at suportang Europeo
Isa sa mga natatanging elemento ng Panel-to-Fuel ay ang pagbuo ng isang reaktor na may kurbadong disenyo Ang disenyong ito ay nakatuon nang eksakto sa radyasyon ng araw sa lugar kung saan nagaganap ang pinakamahalagang reaksiyong kemikal. Ang heometriyang ito ay nagbibigay-daan para sa mas mahusay na paggamit ng parehong sikat ng araw at init, na nagpapataas ng kahusayan ng sistema.
Ang pangwakas na layunin ay ang magkaroon ng isang modular assembly na may kakayahang patuloy at matatag na operasyonsabay-sabay na pagsasagawa ng tatlong gawain: paggawa ng hydrogen, pagkuha ng CO₂ mula sa hangin, at pagbabago nito sa mga sintetikong panggatong. Ang modularity ay magpapadali sa pag-aangkop ng kapasidad ng produksyon sa iba't ibang kapaligiran, mula sa mga pilot facility malapit sa mga research center hanggang sa mas malalaking planta na katabi ng mga industriyal o logistikong sektor.
Bukod sa teknikal na disenyo, kasama rin sa proyekto ang mga pag-aaral sa posibilidad ng ekonomiya at epekto sa kapaligiranMahalagang masuri kung ang mga sintetikong panggatong na ito ay maaaring makipagkumpitensya laban sa kumbensyonal na diesel, gasolina o kerosene, pati na rin laban sa mga alternatibo tulad ng mga de-kuryenteng sasakyan o naka-compress na hydrogen.
Mga tampok ng Panel-to-Fuel pondo mula sa Ahensya ng Pananaliksik ng EstadoNg Plano sa Pagbawi, Pagbabago at Kakayahan at mula sa mga pondo ng Europa SusunodGenerasyonEUpati na rin ang tulong tulad ng RENOCogenPinatitibay nito ang papel ng ganitong uri ng proyekto sa estratehiya ng decarbonization at green reindustrialization ng Espanya at ng European Union.
Kabilang sa pangkat ang mga mananaliksik mula sa UPNA tulad ng Luis Gandía, Fernando Bimbela at Ismael Pellejero; mula sa Lurederra, bilang Cristina Salazar at Carmen Garijo; at mula sa kumpanyang Ingeniería Navarra Mecánica, kasama nila Uxue LlorenteIpinapakita nito ang malapit na pakikipagtulungan sa pagitan ng unibersidad, ng sentro ng teknolohiya, at ng sektor ng negosyo.
Artipisyal na potosintesis: mga internasyonal na pagsulong na tumuturo sa mga solar fuel
Habang nasa Navarre sila ay nagsusumikap na isama ang buong proseso sa isang modular system, ang iba pang mga internasyonal na grupo ay gumagawa ng mga progreso sa komplementaryong bahagi: mga photonic catalyst na may mataas na pagganap kayang baguhin ang CO₂ gamit lamang ang sikat ng araw at tubig bilang pangunahing input.
Isang kamakailang halimbawa ang nagmula sa isang pangkat sa Chinese Academy of Sciences at mula sa Hong Kong University of Science and Technology, na nagpakita ng isang sistema ng artipisyal na photosynthesis inilathala sa journal na Nature Communications. Ang kanilang pamamaraan ay kinabibilangan ng paggamit ng isang materyal na tinatawag na Ag/WO₃, isang silver-modified tungsten trioxide, na gumaganap bilang isang uri ng pansamantalang imbakan ng elektron sa loob ng katalista.
Kapag ang materyal na ito ay naiilawan, maaari itong mag-imbak at maglabas ng mga electron sa isang kontroladong paraan, na mahalaga sa mas mahusay na pagbabawas ng CO₂. Kapag isinama sa isang cobalt-based molecular catalyst, ang kobalt phthalocyanineNagagawa ng sistemang i-convert ang CO₂ at tubig sa carbon monoxide na may bilis na higit na nakahihigit kaysa sa mga nakaraang konpigurasyon.
Sa ilalim ng mga kondisyon sa laboratoryo, ang mga antas ng produksyon ay nasa order na 1,5 milimol ng carbon monoxide kada gramo ng katalista kada orashumigit-kumulang isang daang beses na mas marami kaysa sa parehong cobalt catalyst na walang "charge reservoir" na ibinibigay ng Ag/WO₃. Bagama't nasa maliliit na antas pa rin, ang pagpapabuti ng pagganap ay makabuluhan sa agham.
Na ang carbon monoxide ay hindi isang panggatong na handa nang gamitin sa isang tangke, ngunit isa ito sa mga mga pangunahing kemikal na bloke ng pagbuo para sa paggawa ng mga sintetikong panggatong, sa pamamagitan ng mga rutang pang-industriya na kilala na tulad ng gas synthesis (syngas) na sinusundan ng mga prosesong uri ng Fischer-Tropsch, eksaktong kaparehong lohika na ginalugad sa mga proyektong tulad ng Panel-to-Fuel.
Isang mas malinis na disenyo: tubig bilang pinagmumulan ng mga elektron
Isa sa mga karaniwang problema sa maraming artipisyal na pamamaraan ng potosintesis ay ang pangangailangang gumamit ng mga ahente na maaaring itaponPinapadali ng mga karagdagang sangkap ang reaksyon ngunit natupok at lumilikha ng basura. Sinusubukan ng disenyo ng mga Tsino na malampasan ang limitasyong ito sa pamamagitan ng paggamit tubig bilang pinagmumulan ng mga elektron, isang pamamaraang mas malapit sa paggana ng isang tunay na dahon.
Sa kalikasan, ang mga molekula tulad ng plastoquinone ay panandaliang nag-iimbak ng mga electron upang mag-coordinate ilang mga reaksiyong photochemical nang sabay-sabayDahil sa inspirasyon ng ganitong pag-uugali, pinapayagan ng sistemang Ag/WO₃ ang tungsten na baguhin ang estado ng oksihenasyon nito sa pamamagitan ng pagtanggap at pagbibigay ng mga electron, upang ang katalista na nagbabawas ng CO₂ ay magkaroon ng mas maraming karga na magagamit sa mas mahabang panahon.
Ang mekanismong ito ng paulit-ulit na pag-iimbak ng singil Binabawasan nito ang mga pagkalugi at pinapahusay ang pangkalahatang kahusayan ng proseso, na mahalaga kung ang mga sistemang ito ay lilipat mula sa laboratoryo patungo sa mga praktikal na aplikasyon kung saan mahalaga ang gastos bawat kilo ng produkto.
Ang isang kawili-wiling punto ay ang aparato ay hindi lamang gumagana sa ilalim ng kontroladong artipisyal na ilaw, kundi nasubukan din gamit ang natural na sikat ng arawhabang pinapanatili ang kakayahan nitong baguhin ang CO₂ tungo sa carbon monoxide. Ipinahihiwatig ng detalyeng ito na maaaring maisama ang teknolohiya sa mga reaktor na direktang pinapagana ng mga renewable energy, nang hindi kinakailangang gamitin ang grid ng kuryente.
Mula sa perspektibo ng disenyo ng mga materyales, ang estratehiyang Ag/WO₃ ay nagpapakita ng sarili bilang isang medyo maraming gamit na pamamaraan, dahil ang parehong suporta ay maaaring pagsamahin sa iba't ibang partikular na katalista depende sa ninanais na huling produkto, nagbubukas ng pinto sa mas malawak na hanay ng mga panggatong at kemikal na compound na nagmula sa solar.
Epekto sa klima, mga hamon at pagkakahanay sa mga patakaran ng Europa
Ang posibilidad ng gawing sintetikong panggatong ang CO₂ sa tulong ng sikat ng araw Perpekto itong akma sa mga estratehiya ng decarbonization sa Europa, ngunit ang tunay na kontribusyon nito ay nakasalalay sa buong siklo ng buhay. Para maging climate-neutral ang mga panggatong na ito, ang CO₂ na gagamitin ay dapat manggaling sa mga nakuhang mapagkukunanmga emisyon mula sa industriya o direkta mula sa himpapawid, at ang buong proseso ay dapat pakainin ng renewable energy.
Kahit na natugunan ang mga kundisyong iyon, itinuturo ng mga eksperto na ang Ang pangkalahatang kahusayan ay malayo pa rin sa ideal.Ang bawat yugto — pagkuha ng CO₂, produksyon ng hydrogen, conversion sa mga likidong panggatong, pag-iimbak at pamamahagi — ay kinabibilangan ng pagkawala ng enerhiya na isinasalin sa mga gastos sa ekonomiya at ang pangangailangan para sa mas maraming naka-install na renewable capacity.
Gayunpaman, ang mga solar fuel na ito ay maaaring gumanap ng mahalagang papel sa mga sektor kung saan Hindi madaling direktang makuryente o palitan ang mga kasalukuyang makina at imprastraktura sa maikling panahon. Ang abyasyon, transportasyong pandagat, at ilang mabibigat na industriya ay paulit-ulit na lumilitaw sa listahang ito ng mga "mahirap bawasan."
Mula sa pananaw ng patakaran sa enerhiya, may mga praktikal na tanong din na lumilitaw: Magkano ang halaga ng isang litro ng ganitong uri ng gasolina? Kung ikukumpara sa tradisyonal na diesel o gasolina, paano ito isasama sa mga umiiral na refinery at network, at anong antas ng suporta ang matatanggap ng mga teknolohiyang ito kumpara sa iba pang mga opsyon tulad ng mga electric vehicle o hydrogen para sa mga fuel cell?
Sa Europa, ang kombinasyon ng mga proyektong tulad ng Panel-to-Fuel na may mga internasyonal na pagsulong en artipisyal na potosintesis at mga bagong katalista Itinuturo nito ang isang senaryo kung saan ang CO₂ ay hindi na lamang tinitingnan bilang isang problema at bahagyang itinuturing na isang mapagkukunan. Habang umiinit ang klima at nagbabago ang mga presyo ng gasolina, ang pag-unlad ng mga nababagong sintetikong panggatong batay sa sikat ng araw at CO₂ Ito ay umuusbong bilang isang komplementaryong paraan para sa industriya at kapaligiran upang magsimulang kumilos sa parehong direksyon.