Για πρώτη φορά παγκοσμίως, έγινε δυνατή η παραγωγή κηροζίνης χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια, νερό και διοξείδιο του άνθρακα σε έναν ηλιακό πύργο ολοκληρωμένης λειτουργίας. Μια σειρά από 169 σφαιρικούς ανακλαστήρες συγκεντρώνει την ηλιακή ακτινοβολία σε έναν αντιδραστήρα τοποθετημένο σε έναν πύργο κοντά στη Μαδρίτη της Ισπανίας, παρέχοντας την απαιτούμενη θερμική ενέργεια για τη μετατροπή.
Οι ανακλαστήρες μεταφέρουν στον πύργο περίπου 50kW ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας -ισοδύναμη με 2500 ήλιους- απευθείας στην οπή του αντιδραστήρα, πλάτους 16cm. «Υπάρχουν ανακλαστικά κάτοπτρα που παρακολουθούν τον ήλιο και ανακατευθύνουν και συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή του πύργου», λέει ο επικεφαλής ερευνητής Aldo Steinfeld του ETH Zurich, το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας.
Η βασική τεχνολογία είναι ο ηλιακός αντιδραστήρας ο οποίος δοκιμάστηκε αρχικά σε πραγματικές συνθήκες στην οροφή του ETH στην Ελβετία το 2021. Το σύστημα δεσμεύει διοξείδιο του άνθρακα και νερό απευθείας από τον αέρα και τα μετατρέπει σε καύσιμο. Ο ηλιακός αντιδραστήρας ανάγει θερμικά το οξειδοαναγωγικό υλικό (στην προκειμένη περίπτωση, οξείδιο του δημητρίου) σε θερμοκρασίες περίπου 1500°C. Το οξείδιο του δημητρίου στη συνέχεια ανάγει το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό καθώς εισέρχονται στον αντιδραστήρα, δημιουργώντας μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο (ουσιαστικά syngas), το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε συνθετικό καύσιμο χρησιμοποιώντας διαθέσιμη τεχνολογία.
«Είναι η πρώτη φορά που η κηροζίνη παρήχθη από ατμοσφαιρικό αέρα σε πραγματικό ηλιακό πύργο, όχι σε προσομοιωτή. Αυτό είναι ένα μεγάλο βήμα μπροστά, καθώς είναι ζωτικής σημασίας για περαιτέρω κλιμάκωση της τεχνολογίας», σημειώνει ο Christian Sattler του Γερμανικού Αεροδιαστημικού Κέντρου (DLR) στη Γερμανία, η ομάδα του οποίου συνεργάστηκε με τον Steinfeld. Η DLR λειτουργεί δύο ηλιακούς πύργους για την παραγωγή καυσίμων με τη χρήση ηλιακής ενέργειας.
«Αυτή είναι ακόμα μια επίδειξη για ερευνητικούς σκοπούς, αλλά αυτή τη φορά είναι σε τεχνικά επαρκές μέγεθος και χρησιμοποιεί μια διάταξη ηλιακού πύργου που είναι κατάλληλη για βιομηχανικές εφαρμογές», προσθέτει ο Steinfeld. Ο ηλιακός αντιδραστήρας είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερος από τη δοκιμή πεδίου του 2021 και παράγει περίπου 1 λίτρο κηροζίνης την ημέρα. Παρόμοιοι ηλιακοί πύργοι λειτουργούν ήδη εμπορικά και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια παράγοντας ατμό για την κίνηση ενός στροβίλου.
Στην προκειμένη περίπτωση, επιτεύχθηκε απόδοση 4,1% για την ενεργειακή μετατροπή του αερίου. «Αυτή είναι μια τιμή ρεκόρ για τη θερμοχημική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε αέριο σύνθεσης, αλλά εξακολουθεί να είναι χαμηλή τιμή για να γίνει η τεχνολογία οικονομικά ελκυστική», λέει ο Steinfeld. Προβλέπει ότι μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια, «θα πρέπει να είμαστε σε θέση να δείξουμε τιμές απόδοσης που ξεπερνούν το 10% και, μακροπρόθεσμα, καθώς η τεχνολογία ωριμάζει, θα φτάσουμε σε τιμές άνω του 15%».
Ο τομέας των αερομεταφορών είναι υπεύθυνος για την παραγωγή περίπου 5% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, επομένως υπάρχει ανάγκη για κηροζίνη ουδέτερη ως προς τις εκπομπές άνθρακα κατά την παραγωγή της για να αντικαταστήσει την κηροζίνη που παράγεται από ορυκτά καύσιμα.
Το ETH σχεδιάζει να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα μετατροπής της διαδικασίας του με τρεις τρόπους. Πρώτον, οι ερευνητές θα βελτιώσουν τη σύνθεση του οξειδοαναγωγικού υλικού, για παράδειγμα με την προσθήκη προσμίξεων στο οξείδιο του δημητρίου ή περοβσκίτες. Δεύτερον, θα βελτιωθούν οι δικτυωτές πορώδεις κεραμικές δομές που μοιάζουν με αφρό από δημήτριο για ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας και μάζας.
«Δουλεύουμε τώρα με τρισδιάστατα εκτυπωμένες δομές που είναι ικανές να απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία πιο αποτελεσματικά και να αποκτούν πιο ομοιόμορφη θερμοκρασία μέσα στον αντιδραστήρα κοιλότητας, επιτυγχάνοντας επομένως υψηλότερο βαθμό μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερμογόνο δύναμη του καυσίμου», λέει ο Steinfeld.
Ο τρίτος τρόπος για να βελτιωθεί η απόδοση είναι η ανάκτηση της θερμότητας που χάνεται κατά τη διάρκεια του κύκλου οξειδοαναγωγής, όταν οι θερμοκρασίες πέφτουν μερικές εκατοντάδες βαθμούς κάτω από αυτή που απαιτείται για το βήμα οξείδωσης. Αυτή η θερμότητα θα μπορούσε να συλλεχθεί και να αναδρομολογηθεί στον ηλιακό αντιδραστήρα.
«Είναι πολύ συναρπαστικό να βλέπεις αυτή την τεχνολογία να επιδεικνύεται σε κλίμακα», λέει ο μηχανολόγος μηχανικός Jonathan Scheffe του Πανεπιστημίου της Florida, ο οποίος είδε μια παρουσίαση της έρευνας από τον Steinfeld στο International Conference on Solid State Ionics στη Βοστώνη. «Δίνει μια σαφή πορεία προς το τι πρέπει να κάνουμε για να γίνει αυτή η τεχνολογία εμπορικά βιώσιμη».
Η Ελβετική εταιρεία Synhelion, μια spin-out του ETH, κατασκευάζει την πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση στον κόσμο για την παραγωγή ηλιακού καυσίμου ουδέτερου άνθρακα στο Jülich της Γερμανίας. «Η θέση σε λειτουργία του εργοστασίου έχει προγραμματιστεί για το 2023 και η Swiss International Air Lines θα είναι η πρώτη αεροπορική εταιρεία που θα πετάξει με αεροπορικό καύσιμο που έχει παραχθεί με τη βοήθεια ηλιακής ενέργειας», είπε ένας εκπρόσωπος της εταιρείας. «Μετά από αυτό, σχεδιάζουμε να θέσουμε σε λειτουργία την πρώτη εμπορική μονάδα παραγωγής στην Ισπανία έως το 2025».
«Αυτή η επίδειξη είναι αρχικώς μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερης κλίμακας σε σχέση με τις πρώτες δοκιμές, σε εξωτερικό χώρο, με κανονική διάταξη πύργου και με πλήρη ενοποίηση των τριών υποσυστημάτων», σημειώνει η Ellen Stechel, φυσικοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Arizona. «Άλλοι, συμπεριλαμβανομένων και ημών, έχουν φανταστεί αυτό το πλήρως ολοκληρωμένο σύστημα στα χαρτιά και έχουν κάνει ανάλυση του τι είναι δυνατό», προσθέτει. «Ωστόσο, δεν υπάρχει υποκατάστατο της πραγματικής επίδειξης με όλες τις πολυπλοκότητες του πραγματικού κόσμου. Ως εκ τούτου, για το ευρύτερο πεδίο, αυτή η εργασία είναι ένα σημαντικό βήμα προς την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας».
Με πληροφορίες από ChemistryWorld.com
