Солнечная башня «все в одном» производит реактивное топливо из CO2, воды и солнечного света

Построенный и испытанный исследователями из ETH Zurich, это многообещающий проект экологически чистого топлива.

Зачем нам экологически безопасное авиационное топливо (SAF)?

Ископаемое топливо можно заменить батареями или водородом в легковых и грузовых автомобилях, но с самолетами дело обстоит сложнее. Сегодня в эксплуатации находится более 25 000 коммерческих авиалайнеров, а срок службы составляет около 25 лет, поэтому авиакомпании ищут топливо с нулевым выбросом углерода, чтобы снизить загрязнение. Это переходный шаг, но важный до тех пор, пока не будут готовы чистые авиационные технологии и весь глобальный флот не сможет быть преобразован во что-то другое.

Углеродно-нейтральные виды топлива являются простой заменой сегодняшнему керосину Jet-A; они смешиваются с обычным топливом и сгорают в реактивных двигателях, как обычно, производя нормальное количество выбросов углерода. Разница в том, что вместо того, чтобы вытягивать этот углерод прямо из земли, углеродно-нейтральное топливо захватывает CO2 откуда-то еще; он все равно попадет в атмосферу, но, по крайней мере, проделает какую-то полезную работу, прежде чем попадет туда, и каждый сожженный галлон — это галлон несгоревшего обычного топлива.

Как в настоящее время производится SAF?

Существует множество способов получения углеродно-нейтрального топлива, и не все из них приемлемы по разным причинам. Биотопливо, выращенное из специальной кукурузы, например, создает собственные выбросы от удобрений и сельскохозяйственного оборудования, и они используют землю, которая в противном случае могла бы производить продукты питания. Вырубка лесов и использование древесины в качестве биомассы также исключены по причинам, которые должны быть очевидны, но тот факт, что вокруг этого существуют правила, предполагает, что даже в игре с устойчивостью все еще есть недобросовестные операторы.

То здесь, то там появляются заводы по переработке отходов в реактивное топливо, которые собирают муниципальный мусор или старое растительное масло и используют их в качестве сырья для производства синтез-газа, который можно перерабатывать в синтетическое топливо. Но обычно задействованный процесс пиролиза требует много энергии — либо грязной энергии, либо чистой энергии, которую можно было бы использовать в другом месте, — а сырье настолько нестабильное, что полученное топливо иногда нуждается в дополнительной, энергоемкой очистке, прежде чем оно будет готово к спасению планеты на лайнере Dreamliner.

Другой способ — улавливать углерод непосредственно из других источников выбросов и преобразовывать его в топливо. Это можно сделать, используя зеленое электричество для питания электролизера, а затем смешивая полученный водород с окисью углерода для создания синтез-газа, который затем можно перерабатывать в топливо, но на каждом из этих этапов происходят потери энергии.

Это подводит нас к новой, гораздо более простой конструкции, разработанной ETH Zurich, которая была построена и испытана в Энергетическом институте IMDEA в Испании.

Универсальная углеродно-нейтральная топливная башня ETH Zurich

Пилотная установка работает на концентрации солнечной тепловой энергии. Сто шестьдесят девять панелей рефлекторов, отслеживающих солнце, площадь каждой составляет 3 квадратных метра, перенаправляют солнечный свет в 16-сантиметровое отверстие в солнечном реакторе в верхней части 15-метровой центральной башни. Этот реактор получает в среднем около 2500 энергий солнц - около 50 кВт солнечной тепловой энергии.

Тепло используется для запуска двухступенчатого термохимического окислительно-восстановительного цикла. Вода и чистый диоксид углерода подаются в окислительно-восстановительную реакцию на основе церия, которая одновременно превращает их в водород и монооксид углерода или синтетический газ. Поскольку все это делается в одной камере, можно настроить скорость подачи воды и CO2, чтобы в реальном времени управлять точным составом синтез-газа.

Синтетический газ подается на установку преобразования газа в жидкость (GtL) в нижней части колонны, которая производит жидкую фазу, содержащую 16 % керосина и 40 % дизельного топлива, а также парафиновую фазу с 7 % керосина и 40 % дизельного топлива - доказывая, что керамический солнечный реактор на основе оксида церия определенно производил синтез-газ достаточно чистый для преобразования в синтетическое топливо.

Сколько топлива получается?

На самом деле это большой вопрос, и я боюсь, что исследовательская работа не позволяет легко угадать эту информацию. В целом, исследователи запускали систему в течение 9 дней, выполняя от шести до восьми циклов в день, если позволяла погода. Каждый цикл длился в среднем 53 минуты, а общее время эксперимента составило 55 часов. Несколько циклов пришлось остановить из-за перегрева, когда температура в реакторе превысила заданные 1450 ° C (2642 ° F) до критической температуры 1500 ° C (2732 ° F).

В общей сложности экспериментальная установка произвела около 5 191 литра (1 371 галлона) синтез-газа за эти девять дней, но исследователи не указывают точно, сколько керосина и дизельного топлива осталось после переработки синтез-газа, поэтому нельзя дать простую цифру производительности пилотной установки в день.

Но чтобы дать представление о масштабах проблемы: у Boeing 787 Dreamliner запас топлива до 126 372 л (36 384 галлона), на котором он может пролететь до 14 140 км (8 786 миль).

Но не обязательно заменять все рассматриваемое топливо — синтетическое топливо можно смешивать с обычным топливом в любых доступных количествах, и каждый грамм помогает снизить общие выбросы.

Что дальше?

Команда говорит, что общая эффективность системы (измеряемая содержанием энергии синтез-газа в процентах от общего количества поступающей солнечной энергии) в этой реализации составляла всего около 4%, но он видит пути увеличения этого показателя более чем на 20% за счет рекуперации и рециркуляции большего количества тепла и изменения структуры оксида церия.

«Мы первыми продемонстрировали всю цепочку термохимических процессов от воды и CO2 до керосина в полностью интегрированной системе солнечной башни», — сказал профессор ETH Альдо Штайнфельд, соответствующий автор исследовательской работы. «Эта топливная установка для солнечных башен работала с настройкой, соответствующей промышленному внедрению, что стало технологической вехой на пути к производству экологичного авиационного топлива».

«Подобная топливная установка солнечной башни представляет собой жизнеспособный путь к внедрению производства солнечного топлива в глобальном масштабе», — говорится в исследовании.

Исследование находится в открытом доступе в рецензируемом журнале Joule.