Φωτοβολταϊκή κηροζίνη: ένα τεράστιο άλμα στην παραγωγή ενέργειας (βίντεο)

Η παραγωγή κηροζίνης χωρίς πετρέλαιο απευθείας από τον ήλιο είναι ένα τεράστιο άλμα προς τα μπρος που υπόσχεται να αλλάξει το παιχνίδι στον τομέα της παραγωγής ενέργειας και κυρίως των αερομεταφορών.

Δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Joule και είναι μια εργασία που παρουσιάζει την επιστήμη και την τεχνολογία πίσω από την αειφόρο παραγωγή κηροζίνης απευθείας από CO2 και νερό χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκούς πύργους και θερμοχημικούς αντιδραστήρες. Είναι αξιοσημείωτο ότι στην έρευνα, η παλιά πορεία τριών βημάτων για την παραγωγή αερίου σύνθεσης Fischer-Tropsch, δηλαδή φωτοβολταϊκή ηλεκτρική ενέργεια, ηλεκτρόλυση και αντίστροφη μετατροπή αερίου νερού, αντικαθίσταται από μια πορεία ενός σταδίου. Να θυμίσουμε ότι η διαδικασία Fischer–Tropsch είναι μια συλλογή χημικών αντιδράσεων που μετατρέπουν ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου ή αερίου νερού σε υγρούς υδρογονάνθρακες. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν παρουσία μεταλλικών καταλυτών, συνήθως σε θερμοκρασίες 150–300 °C και σε πιέσεις από μία έως πολλές δεκάδες ατμόσφαιρες.

Ιδιαίτερα αξιοσημείωτο στη μελέτη είναι ότι η κηροζίνη που συντίθεται από τον ήλιο μπορεί να υποκαταστήσει την κηροζίνη που προέρχεται από ορυκτές πηγές και να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε κινητήρες αεροσκαφών, καθορίζοντας το μέλλον των αερομεταφορών.

Η κλιμακωτή τεχνολογία παραγωγής κηροζίνης από τον ήλιο είναι το αποκορύφωμα μιας πολυετούς πρωτοποριακής ηλιακής θερμοχημικής έρευνας από το Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης (ETHZ Zürich) με επικεφαλής τον καθηγητή Aldo Steinfeld. Το σήμα κατατεθέν της ερευνητικής εργασίας είναι η ταυτόχρονη διάσπαση νερού και διοξειδίου του άνθρακα μέσω θερμοχημικού κύκλου οξειδοαναγωγής, που καθοδηγείται από συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια (CSP), σχεδιασμένου να παράγει επιλεκτικά αέριο σύνθεσης (syngas) χρησιμοποιώντας υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα σε αναλογία κατάλληλη για τη σύνθεση κηροζίνης Fischer-Tropsch.

Όλα αυτά συμβαίνουν σε έναν φωτοβολταϊκό αντιδραστήρα 50 kW που υψώνεται 15 μέτρα από το έδαφος, στον οποίο το ηλιακό φως εστιάζεται σε μια οπτική κοιλότητα, που περιέχει μια δικτυωτή πορώδη κεραμική δομή (RPC) κατασκευασμένη από το χημικό στοιχείο δημήτριο, η οποία εκτίθεται απευθείας σε μια μέση συγκέντρωση φωτοβολταικής ροής 2.500 ήλιων. Επιτεύχθηκε απόδοση μετατροπής ενέργειας από ηλιακή σε αέριο σύνθεσης 4,1% χωρίς την εφαρμογή ανάκτησης θερμότητας. Το σύστημα λειτούργησε για 62 διαδοχικούς κύκλους οξειδοαναγωγής, αποδίδοντας πάνω από 5.000 κανονικά λίτρα αερίου σύνθεσης που περιείχε 32% Η2 και 15% μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το ηλιακό αέριο σύνθεσης υποβλήθηκε σε επεξεργασία μέσω της διαδικασίας Fischer-Tropsch και μετατράπηκε σε κηροζίνη.

{https://www.youtube.com/watch?v=IaUe23OhHXg&t=42s}

Η ομάδα του ETH Ζυρίχης και πολλές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο εργάζονται εντατικά για τη βελτιστοποίηση της τεχνολογίας ηλιακών καυσίμων. Στα διυλιστήρια ηλιακής κηροζίνης επόμενης γενιάς η απόδοση μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε αέριο σύνθεσης αναμένεται να ενισχυθεί κατά 10-20%.

Το διυλιστήριο ηλιακής θερμικής κηροζίνης που περιγράφεται στη μελέτη είναι το IMDEA Energy στην Ισπανία και αποτελεί ένα κλασικό πρότυπο του τρόπου κατασκευής μιας ολοκληρωμένης υποδομής παραγωγής βιώσιμου καυσίμου όπου τα τρία βασικά υποσυστήματα για τη μετατροπή του H2O και του CO2 σε συνθετική κηροζίνη (δηλ. το υποσύστημα ηλιακής συγκέντρωσης, το υποσύστημα ηλιακού αντιδραστήρα και το gas-to-liquid unit) ενσωματώνονται σε μια ενιαία εγκατάσταση.

Οι προοπτικές είναι ευνοϊκές για τη βιομηχανική εφαρμογή της τεχνολογίας στο εγγύς μέλλον. Η Synhelion, μια spinoff του εργαστηρίου του Steinfeld, σχεδιάζει ήδη να θέσει το 2023 σε λειτουργία τo πρώτο στον κόσμο εργοστάσιο παραγωγής καυσίμου από ηλιακούς αντιδραστήρες, ενώ η SWISS ανακοίνωσε ότι θα είναι η πρώτη αεροπορική εταιρεία που θα πετάξει με ηλιακή κηροζίνη.

Αυτή η εργασία, πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του έργου EU Horizon 2020 SUN-to-LIQUID. Εκτός από την IMDEA Energy, η ερευνητική κοινοπραξία SUN-to-LIQUID περιλαμβάνει και άλλα ερευνητικά κέντρα και εταιρείες που εμπλέκονται στη θερμοχημική παραγωγή ηλιακών καυσίμων, όπως Bauhaus Luftfahrt e.V., ETH Zurich, DLR, Abengoa, ARTTIC και HyGear.

Πηγή: Aldo Steinfeld, et al, A solar tower fuel plant for the thermochemical production of kerosene from H2O and CO2, Joule (2022). DOI: 10.1016/j.joule.2022.06.012