Pesquisadores demonstram produção total de hidrocarbonetos movidos a energia solar

Ampliação / Qualquer uma das duas câmaras de reação (inferior) pode ser direcionada pela luz solar focalizada.

ETH Zurique

sequestro de carbono. produção de hidrogênio. Combustível sintético. Todas essas tecnologias foram sugeridas como recursos potenciais para lidar com crises causadas por emissões de dióxido de carbono. Embora tenham trabalhado em pequenas demonstrações, a maioria deles não demonstrou sua capacidade de escalar para fornecer as soluções econômicas de que precisamos.

Enquanto isso, um grupo de pesquisadores europeus vê os métodos como parte de uma plataforma de produção única e coesa, movendo-se da luz solar e do ar para o querosene. Graças a uma pequena instalação no telhado de um laboratório em Zurique, a equipe estava produzindo pequenas quantidades de diferentes combustíveis usando alguns espelhos e algumas câmaras de reação. Embora todo o processo de produção também precise ser escalonável, os pesquisadores acreditam que a plataforma poderia abastecer toda a indústria de aeronaves comerciais usando uma pequena porção de terra no deserto.

a operação

Existem apenas três etapas envolvidas no processo de conversão do ar em combustível. O primeiro é a separação dos componentes brutos, especialmente dióxido de carbono e água. Isso é feito usando uma pequena unidade comercial da filial da ETH de Zurique; O dispositivo usa um ciclo de aquecimento / resfriamento e aminas que absorvem dióxido de carbono2 e h2O em temperaturas ambientais e liberado quando aquecido. Mais importante ainda, a água fornecida é extremamente pura e não compete com muitos outros usos de água limpa.

De lá, o material é enviado para outra unidade que o converte em monóxido de carbono e hidrogênio, novamente utilizando o ciclo de aquecimento / resfriamento. O processo usa óxido de cério, que se decompõe parcialmente e libera oxigênio em altas temperaturas. Ao retornar às temperaturas ambientais, o cério removerá o oxigênio de qualquer fonte (água ou dióxido de carbono) em que ocorrer. O alto calor necessário para conduzir este processo é fornecido por uma série de espelhos que focalizam a luz solar que entra, com a câmara de reação atingindo o pico de mais de 5.000 sóis durante o aquecimento. O aquecimento é suficiente para operar duas dessas câmaras de reação simultaneamente – uma para água e outra para dióxido de carbono – mudando o foco dos espelhos para frente e para trás.

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O monóxido de carbono e o hidrogênio resultantes são enviados para uma segunda câmara de reação, onde um catalisador comercial à base de cobre pode convertê-los em combustíveis, como metanol ou querosene, com o rendimento da reação determinado por uma mistura precisa de materiais colocados no lugar. Esta etapa requer altas pressões e altas temperaturas.

O sistema não é totalmente independente. As válvulas precisam ser abertas e fechadas e os gases precisam ser comprimidos. Mas seria relativamente trivial anexar um painel fotovoltaico e uma bateria para lidar com essas tarefas. O calor usado na primeira e na última etapa também pode ser fornecido pela extração do calor residual das temperaturas mais altas usadas durante a etapa intermediária.

Nas escalas muito pequenas usadas aqui, o processo era muito lento. Ao longo de um dia, com sete horas de luz solar benéfica, a configuração produziu 32 mililitros de metanol, que foi misturado à água como principal contaminante. A alternância da mistura de reação permitiu a produção de querosene, que é muito mais fácil de separar. Em comparação com os poluentes encontrados no querosene derivado de combustíveis fósseis, os resultados aqui foram bons. O querosene sintético não contém os produtos químicos que contêm enxofre e nitrogênio, que tendem a causar fuligem e outros poluentes.

Vai se expandir?

Em geral, os resultados são claros: o processo pode funcionar, mas não é produtivo o suficiente para ser significativo em seu estado atual, portanto, grande parte do artigo considera a otimização e o dimensionamento. A otimização é frequentemente uma questão de muitas pequenas melhorias, como melhor uso do calor residual para garantir que todo o calor necessário seja fornecido pelos inversores solares. Outros objetivos incluem melhores catalisadores e meios mais eficientes de armazenamento de gases entre as etapas.

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Depois, há a questão do tamanho. Para fornecer um voo de ida e volta diário entre a cidade de Nova York e Londres, os pesquisadores estimam, seriam necessários 10 fazendas de espelho que direcionam a luz solar para salas de reação em uma área que recebe luz solar forte e consistente. Isso significa cobrir cerca de 3,8 quilômetros quadrados de deserto com espelhos. (Para fins de contexto, é cerca de um quarto do tamanho da Califórnia Ivanpa Solar Facility.)

Fornecer todas as necessidades de combustível de aviação comercial exigiria a captura de mais da metade de um por cento da superfície do Deserto do Saara. Isso significa um pedaço de chão de espelhos.

Os pesquisadores sugerem que provavelmente veremos o tipo de redução dramática de custos observada em outros recursos renováveis, incluindo tecnologias como Concentração de energia solar. Essa tecnologia baseada em espelho teve uma queda de preços de 60% nos últimos 15 anos. Mas é questionável se os tipos de queda de preço que vimos com a energia fotovoltaica são possíveis, dados os custos físicos significativos de todos esses espelhos e hardware associado, bem como os custos de manutenção para mantê-los limpos.

O outro lado é que os custos do CSP continuaram caindo e é provável que grande parte dessa economia seja aplicada a produtos químicos movidos a calor como este. É possível que esse conceito básico – química verde movida a energia solar – seja adaptado para produzir um combustível com valor superior ao querosene.

temperar natureza, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04174-y (Sobre DOIs)

Annaliese Franke

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