Исследователи из ETH Zurich разработали технологию, способную производить жидкое углеводородное топливо только из солнечного света и воздуха. На своем солнечном мини-НПЗ команда стала первой в мире, которая продемонстрировала процесс в реальных условиях.
Поскольку энергетический сектор пытается перейти на возобновляемые источники энергии, а страны ставят амбициозные цели по выбросам углерода , развитие низкоуглеродных технологий становится как никогда важным.
Важной частью этих усилий является разработка низкоуглеродистых альтернатив традиционным видам топлива для транспортной отрасли, поскольку морской транспорт и авиация являются неотъемлемой частью мировой торговли, а также инфраструктурой перехода к энергопотреблению.
Исследовательская группа во главе с профессором возобновляемой энергии ETH Zurich Альдо Штейнфельдом разработала солнечную электростанцию, способную производить синтетическое жидкое топливо из солнечного света и воздуха. Эти жидкие углеводороды выделяют столько СО2 во время сгорания, сколько было извлечено из воздуха для их производства.
Как работает технология?
Солнечная электростанция, разработанная ETH Zurich, сочетает в себе три термохимических процесса для создания жидкого топлива из солнечного света и воздуха; прямой захват воздуха, солнечная окислительно-восстановительная и газовая конверсия.
Устройство прямого захвата воздуха сначала извлекает CO₂ и воду из окружающего воздуха, который затем подается в солнечный реактор, который генерирует тепло около 1500 ° C за счет концентрации солнечного излучения.
Керамическая структура, сделанная из оксида церия внутри реактора, затем обеспечивает реакцию, которая расщепляет воду и CO2 на смесь водорода и оксида углерода, известную как синтез-газ. Этот газ затем может быть переработан в жидкие углеводородные топлива с помощью установки «газ-жидкость».
«Используя концентрированное солнечное излучение, высокотемпературный солнечный реактор расщепляет CO₂ и H2O, извлеченные непосредственно из воздуха, и производит синтез-газ — специфическую смесь H2 и CO -, который в конечном итоге перерабатывается в жидкие углеводороды, такие как метанол или керосин», — объясняет Стейнфельд.
«Успешная эксплуатация солнечной демонстрационной установки является важной вехой на пути к производству углерод-нейтрального синтетического топлива, которое выделяет в процессе сгорания столько СО2, сколько было ранее извлечено из воздуха. Эти запасные виды топлива совместимы с существующей во всем мире инфраструктурой для распределения, хранения и утилизации топлива и могут, в частности, способствовать авиации и судоходству», — говорит Штайнфельд.
Является ли технология жизнеспособной?
Команда в ETH Zurich доказала возможность применения технологии в небольших масштабах с помощью солнечного мини-НПЗ на крыше ETH Zurich. Мини-НПЗ производит около одного декалитра топлива в день, даже в климатических условиях Цюриха.
Но это, по словам Стейнфельда, доказывает, что углерод-нейтральные углеводородные топлива могут быть получены из солнечного света и воздуха в реальных полевых условиях.
«Термохимический процесс использует весь солнечный спектр и протекает при высоких температурах, обеспечивая быстрые реакции и высокую эффективность», — говорит Штайнфельд.
Однако этот объем производства все еще слишком мал для коммерческого использования, а производственные затраты высоки. Следующим этапом для этой технологии является ее масштабирование для промышленного внедрения.
«Технологии могут быть расширены для производства транспортного топлива с нейтральным уровнем выбросов углерода в глобальном масштабе без необходимости замены существующих во всем мире транспортных инфраструктур», — говорит Штайнфельд.
В настоящее время группа работает над масштабным испытанием технологии солнечных реакторов в солнечной башне под Мадридом в рамках проекта ЕС «СОЛНЦЕ-ЖИДКОСТЬ» в ЕС. Солнечная башня успешно продемонстрировала первый синтез солнечного керосина из CO₂ и воды 13 июня 2019 года .
Побочные эффекты и путь к полномасштабному коммерческому внедрению
Из исследовательской группы вышли две дочерние компании, которые сосредоточились на том, чтобы сделать эту технологию коммерчески жизнеспособной; Climeworks, которая коммерциализирует технологию улавливания CO₂ из воздуха, и Synhelion, которая коммерциализирует технологию производства солнечного топлива.
Synhelion надеется запустить первую полноразмерную коммерческую систему, использующую эту технологию, к 2025 году с объемом производства 10 миллионов литров метанола в год.
«Солнечная электростанция, занимающая площадь в один квадратный километр, может производить 20 000 литров керосина в день», — сказал директор Synhelion Филипп Фюрлер.
«Теоретически, завод размером с Швейцарию или треть Калифорнийской пустыни Мохаве может удовлетворить потребности в керосине всей авиационной промышленности. Наша цель на будущее — эффективно производить экологически чистые виды топлива с помощью наших технологий и тем самым снизить глобальные выбросы CO₂».
Усилия по разработке этой технологии также, вероятно, будут подкреплены событиями в энергетическом секторе.
На презентации Bloomberg New Energy Finance (BNEF) New Energy Outlook в июне 2019 года глава BNEF по экономике энергетики Елена Джаннакопулу описала энергию ветра и солнца как две важные технологии возобновляемых источников энергии, предсказав, что к 2050 году они будут составлять 50% мировой энергии. Солнечная и ветровая инфраструктуры, вероятно, проложат путь к тому, чтобы такие технологии, как солнечный нефтеперерабатывающий завод, были коммерчески жизнеспособными в масштабе.
