noviembre 27, 2021

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I ricercatori dimostrano la produzione completa di idrocarburi a energia solare

Ingrandisci / Una delle due camere di reazione (inferiore) può essere presa di mira dalla luce solare focalizzata.

ETH Zurigo

sequestro del carbonio. produzione di idrogeno. Carburante sintetico. Tutte queste tecnologie sono state suggerite come potenziali risorse per affrontare le crisi causate dalle emissioni di anidride carbonica. Sebbene abbiano lavorato in piccole demo, la maggior parte di loro non ha dimostrato la propria capacità di scalare per fornire le soluzioni economiche di cui abbiamo bisogno.

Nel frattempo, un gruppo di ricercatori europei vede i metodi come parte di un’unica piattaforma di produzione coesa, che passa dalla luce solare e dall’aria al cherosene. Grazie a una piccola installazione sul tetto di un laboratorio a Zurigo, il team stava producendo piccole quantità di combustibili diversi utilizzando pochi specchi e poche camere di reazione. Anche se l’intero processo di produzione dovrà dimostrarsi scalabile, i ricercatori ritengono che la piattaforma potrebbe alimentare l’intera industria aeronautica commerciale utilizzando una piccola porzione di terra nel deserto.

l’operazione

Ci sono solo tre passaggi coinvolti nel processo di conversione dell’aria in carburante. Il primo è la separazione dei componenti grezzi, in particolare anidride carbonica e acqua. Questo viene fatto utilizzando una piccola unità commerciale della filiale dell’ETH di Zurigo; Il dispositivo utilizza un ciclo di riscaldamento/raffreddamento e ammine che assorbono sia anidride carbonica2 e h2O a temperatura ambiente e rilasciato quando riscaldato. Ancora più importante, l’acqua fornita è estremamente pura e non è in concorrenza con molti altri usi dell’acqua pulita.

Da lì, il materiale viene inviato a un’altra unità che lo converte in monossido di carbonio e idrogeno, sempre utilizzando il ciclo di riscaldamento/raffreddamento. Il processo utilizza l’ossido di cerio, che si decompone parzialmente e rilascia ossigeno ad alte temperature. Al ritorno alle temperature ambientali, il cerio rimuoverà l’ossigeno da qualsiasi fonte (acqua o anidride carbonica) si trovi. L’elevato calore necessario per guidare questo processo è fornito da una serie di specchi che focalizzano la luce solare in entrata, con la camera di reazione che raggiunge un picco di oltre 5.000 soli durante il riscaldamento. Il riscaldamento è sufficiente per far funzionare contemporaneamente due di queste camere di reazione – una per l’acqua e una per l’anidride carbonica – spostando avanti e indietro il fuoco degli specchi.

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Il monossido di carbonio e l’idrogeno risultanti vengono inviati a una seconda camera di reazione, dove un catalizzatore commerciale a base di rame può convertirli in combustibili come metanolo o cherosene, con la resa di reazione determinata da una precisa miscela di materiali impostata. Questo passaggio richiede alte pressioni e alte temperature.

Il sistema non è completamente autonomo. Le valvole devono essere aperte e chiuse e i gas devono essere compressi. Ma sarebbe relativamente banale collegare un pannello fotovoltaico e una batteria per gestire questi compiti. Il calore utilizzato nella prima e nell’ultima fase può essere fornito anche estraendo il calore di scarto dalle temperature più elevate utilizzate durante la fase intermedia.

Alle scale molto piccole utilizzate qui, il processo è stato molto lento. Nel corso di un giorno, con sette ore di luce solare benefica, l’impianto ha prodotto 32 millilitri di metanolo, che è stato mescolato con l’acqua come principale contaminante. L’alternanza della miscela di reazione ha permesso la produzione di cherosene, che è molto più facile da separare. Rispetto agli inquinanti trovati nel cherosene derivato dai combustibili fossili, i risultati qui sono stati buoni. Il cherosene sintetico è privo delle sostanze chimiche contenenti zolfo e azoto che tendono a causare fuliggine e altri inquinanti.

Si espanderà?

In generale, i risultati sono chiari: il processo può funzionare, ma non è abbastanza produttivo da essere significativo nel suo stato attuale, quindi gran parte dell’articolo considera l’ottimizzazione e il ridimensionamento. L’ottimizzazione è spesso una questione di molti piccoli miglioramenti, come un migliore utilizzo del calore di scarto per garantire che tutto il calore necessario venga fornito dagli inverter solari. Altri obiettivi includono catalizzatori migliori e mezzi più efficienti per immagazzinare i gas tra le fasi.

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Poi c’è il problema delle dimensioni. Per fornire un volo di andata e ritorno giornaliero tra New York City e Londra, stimano i ricercatori, sarebbero necessarie 10 fattorie di specchi che dirigono la luce solare nelle sale di reazione in un’area che riceve una luce solare forte e costante. Ciò significa coprire con specchi circa 3,8 chilometri quadrati di deserto. (Per il contesto, questo è circa un quarto delle dimensioni della California Impianto solare Ivanpa.)

Fornire tutte le esigenze di carburante per jet commerciali richiederebbe la cattura di più della metà dell’uno per cento della superficie del deserto del Sahara. Questo significa un pezzo di terra di specchi.

I ricercatori suggeriscono che probabilmente vedremo il tipo di drastiche riduzioni dei costi osservate in altre risorse rinnovabili, comprese tecnologie come Energia solare a concentrazione. Questa tecnologia basata su mirror ha visto un calo dei prezzi del 60% negli ultimi 15 anni. Ma è discutibile se i tipi di calo dei prezzi che abbiamo visto con il fotovoltaico siano possibili, dati i costi fisici significativi di tutti questi specchi e dell’hardware associato, nonché i costi di manutenzione per mantenerli puliti.

Il rovescio della medaglia è che i costi CSP hanno continuato a diminuire, ed è probabile che gran parte di quei risparmi verranno applicati alla chimica guidata dal calore come questa. È possibile che questo concetto di base – la chimica verde alimentata dall’energia solare – possa essere adattato per produrre un combustibile con un valore superiore al cherosene.

temperamento natura, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04174-y (Informazioni sui DOI).