Исследователи демонстрируют полную добычу углеводородов на солнечной энергии

Первая небольшая демонстрация производственной линии полного цикла солнечной энергии, сообщает arstechnica.

Улавливание углерода. Производство водорода. Синтетическое топливо.

Все эти технологии были предложены в качестве потенциальных ресурсов для преодоления кризисов, вызванных выбросами углекислого газа.

Хотя они работали в небольших пилотных демонстрациях, большинство из них не продемонстрировали, что они могут масштабироваться для предоставления необходимых нам экономичных решений.

Тем временем группа европейских исследователей рассматривает эти методы как часть единой согласованной производственной платформы, которая идет от солнечного света и воздуха к керосину.

Благодаря небольшой установке на крыше лаборатории в Цюрихе, команда производила небольшое количество различных видов топлива, используя несколько зеркал и несколько реакционных камер.

Хотя весь производственный процесс также должен продемонстрировать возможность масштабирования, исследователи подсчитали, что платформа могла бы питать всю промышленность коммерческого авиалайнера, используя небольшую часть земли в Сахаре.

Процесс

Процесс превращения воздуха в топливо состоит всего из трех этапов.

Первый – это разделение сырых ингредиентов, в частности, углекислого газа и воды.

Для этого используется небольшая коммерческая единица дочерней компании ETH Zurich; в устройстве используется цикл нагрева/охлаждения и амины, которые поглощают как CO2, так и H2O при температуре окружающей среды, высвобождая их при нагревании.

Важно то, что подаваемая вода очень чистая и не конкурирует со многими другими видами использования чистой воды.

Оттуда материалы отправляются в другое устройство, которое преобразует их в оксид углерода и водород, снова используя цикл нагрева/охлаждения.

В процессе используется оксид церия, который частично разлагается и выделяет кислород при высоких температурах.

Вернувшись к температуре окружающей среды, церий будет отделять кислород от любого источника (воды или углекислого газа), который случайно присутствует.

Высокая температура, необходимая для запуска этого процесса, обеспечивается набором зеркал, которые концентрируют падающий солнечный свет, при этом максимальная температура реакционной камеры достигает более 5000 солнц во время нагрева.

Нагрева достаточно для одновременной работы двух из этих реакционных камер – одной для воды и одной для углекислого газа – путем переключения фокуса зеркал вперед и назад.

Образующиеся монооксид углерода и водород отправляются во вторую реакционную камеру, где коммерческий катализатор на основе меди может преобразовать их в топливо, такое как метанол или керосин, причем продукт реакции определяется точной смесью материалов.

Этот шаг требует высокого давления и повышенных температур.

Система не является полностью автономной.

Клапаны должны открываться и закрываться, а газы должны находиться под давлением.

Но было бы относительно тривиально подключить фотоэлектрическую панель и батарею для решения этих задач.

Тепло, используемое на первом и последнем этапах, также может быть обеспечено за счет отвода отработанного тепла от высоких температур, используемых на среднем этапе.

В очень маленьких масштабах, используемых здесь, процесс был довольно медленным.

В течение дня при семи часах полезного солнечного света установка произвела 32 миллилитра метанола, который был смешан с водой в качестве основного загрязнителя.

Переключение реакционной смеси позволило получить керосин, который гораздо легче отделить.

По сравнению с загрязнителями, присутствующими в керосине, полученном из ископаемого топлива, результаты здесь были хорошими.

В синтетическом керосине не хватало серных и азотсодержащих химикатов, которые, как правило, приводят к образованию сажи и других загрязняющих веществ.

Будет ли оно масштабироваться?

В целом результаты очевидны: процесс может работать, но он недостаточно продуктивен, чтобы иметь значение в его текущем состоянии, поэтому большая часть статьи посвящена оптимизации и масштабированию.

Оптимизация – это в основном вопрос множества небольших улучшений, таких как более эффективное использование отходящего тепла для обеспечения того, чтобы все необходимое тепло передавалось солнечными отражателями.

Другие цели включают более совершенные катализаторы и более эффективные средства хранения газов между этапами.

Тогда дело в масштабе.

По оценкам исследователей, для ежедневного полета туда и обратно между Нью-Йорком и Лондоном потребуется 10 зеркальных ферм, направляющих солнечный свет на реакционные камеры в области, которая получает сильный и постоянный солнечный свет.

Это соответствует покрытию зеркалами около 3,8 квадратных километров пустыни. (Для контекста, это примерно четверть размера солнечной электростанции Ivanpah в Калифорнии.)

Для удовлетворения всех потребностей коммерческой авиации в топливе потребуется более половины одного процента поверхности пустыни Сахара. А это значит много зеркал.

Исследователи предполагают, что мы, вероятно, увидим резкое сокращение затрат, которое наблюдается в других возобновляемых источниках, включая такие технологии, как концентрирование солнечной энергии.

За последние 15 лет цены на эту зеркальную технологию упали на 60 процентов.

Но сомнительно, возможны ли те виды снижения цен, которые мы видели с фотоэлектрическими элементами, учитывая большие материальные затраты на все эти зеркала и связанное с ними оборудование, а также затраты на поддержание их в чистоте.

Обратной стороной является то, что затраты на концентрацию солнечной энергии продолжают снижаться, и большая часть этой экономии, вероятно, может быть применена к такой химии, работающей на тепле.

И возможно, что эту базовую концепцию – зеленую химию на солнечной энергии – можно было бы адаптировать для производства топлива с более высокой ценностью, чем керосин.

Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04174-y