noviembre 29, 2021

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Los investigadores demuestran una producción total de hidrocarburos alimentada por energía solar

Zoom / Cualquiera de las dos cámaras de reacción (inferior) puede ser dirigida por la luz solar enfocada.

ETH Zúrich

secuestro de carbón. producción de hidrógeno. Combustible sintético. Todas estas tecnologías se han sugerido como recursos potenciales para hacer frente a las crisis provocadas por las emisiones de dióxido de carbono. Aunque han trabajado en pequeñas demostraciones, la mayoría de ellos no ha demostrado su capacidad de escalar para proporcionar las soluciones económicas que necesitamos.

Mientras tanto, un grupo de investigadores europeos ve los métodos como parte de una plataforma de producción única y cohesiva, que pasa de la luz solar y el aire al queroseno. Gracias a una pequeña instalación en el techo de un laboratorio en Zurich, el equipo estaba produciendo pequeñas cantidades de diferentes combustibles usando algunos espejos y algunas cámaras de reacción. Si bien todo el proceso de producción también deberá ser escalable, los investigadores creen que la plataforma podría impulsar a toda la industria de aviones comerciales utilizando una pequeña porción de tierra en el desierto.

la operacion

Solo hay tres pasos involucrados en el proceso de convertir el aire en combustible. La primera es la separación de los componentes en bruto, especialmente el dióxido de carbono y el agua. Esto se hace utilizando una pequeña unidad comercial de la sucursal de ETH Zurich; El dispositivo utiliza un ciclo de calentamiento / enfriamiento y aminas que absorben dióxido de carbono2 yh2O a temperaturas ambientales y se libera cuando se calienta. Lo más importante es que el agua suministrada es extremadamente pura y no compite con muchos otros usos del agua limpia.

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Desde allí, el material se envía a otra unidad que lo convierte en monóxido de carbono e hidrógeno, nuevamente usando el ciclo de calentamiento / enfriamiento. El proceso utiliza óxido de cerio, que se descompone parcialmente y libera oxígeno a altas temperaturas. Al volver a las temperaturas ambientales, el cerio eliminará el oxígeno de cualquier fuente (agua o dióxido de carbono) que se produzca. El alto calor necesario para impulsar este proceso lo proporciona una serie de espejos que enfocan la luz solar entrante, y la cámara de reacción alcanza un máximo de más de 5.000 soles durante el calentamiento. El calentamiento es suficiente para operar dos de estas cámaras de reacción simultáneamente, una para el agua y otra para el dióxido de carbono, cambiando el enfoque de los espejos hacia adelante y hacia atrás.

El monóxido de carbono y el hidrógeno resultantes se envían a una segunda cámara de reacción, donde un catalizador comercial a base de cobre puede convertirlos en combustibles como metanol o queroseno, con el rendimiento de la reacción determinado por una mezcla precisa de materiales colocados en su lugar. Este paso requiere altas presiones y altas temperaturas.

El sistema no es completamente autónomo. Las válvulas deben abrirse y cerrarse y los gases deben comprimirse. Pero sería relativamente trivial colocar un panel fotovoltaico y una batería para manejar estas tareas. El calor utilizado en el primer y último paso también se puede proporcionar extrayendo el calor residual de las temperaturas más altas utilizadas durante el paso intermedio.

En las escalas muy pequeñas utilizadas aquí, el proceso fue muy lento. En el transcurso de un día, con siete horas de luz solar beneficiosa, la instalación produjo 32 mililitros de metanol, que se mezcló con agua como un contaminante importante. Alternar la mezcla de reacción permitió la producción de queroseno, que es mucho más fácil de separar. En comparación con los contaminantes que se encuentran en el queroseno derivado de combustibles fósiles, los resultados aquí fueron buenos. El queroseno sintético carece de los productos químicos que contienen azufre y nitrógeno que tienden a causar hollín y otros contaminantes.

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¿Se expandirá?

En general, los resultados son claros: el proceso puede funcionar, pero no es lo suficientemente productivo como para ser significativo en su estado actual, por lo que gran parte del trabajo considera la optimización y el escalado. La optimización es a menudo una cuestión de muchas pequeñas mejoras, como un mejor uso del calor residual para garantizar que los inversores solares suministren todo el calor necesario. Otros objetivos incluyen mejores catalizadores y medios más eficientes de almacenar gases entre pasos.

Luego está la cuestión del tamaño. Para proporcionar un vuelo diario de ida y vuelta entre la ciudad de Nueva York y Londres, estiman los investigadores, se necesitarían 10 granjas de espejos que dirijan la luz solar a las salas de reacción en un área que recibe luz solar intensa y constante. Esto significa cubrir unos 3,8 kilómetros cuadrados de desierto con espejos. (Para el contexto, esto es aproximadamente una cuarta parte del tamaño de California Instalación Solar Ivanpa.)

Proporcionar todas las necesidades de combustible para aviones comerciales requeriría capturar más de la mitad del uno por ciento de la superficie del desierto del Sahara. Esto significa un terreno de espejos.

Los investigadores sugieren que probablemente veremos el tipo de reducciones de costos dramáticas que se ven en otros recursos renovables, incluidas tecnologías como Concentración de energía solar. Esta tecnología basada en espejos ha experimentado una caída de precio del 60 por ciento en los últimos 15 años. Pero es cuestionable si los tipos de caída de precios que hemos visto con la energía fotovoltaica son posibles, dados los importantes costos de material de todos estos espejos y hardware asociado, así como los costos de mantenimiento de mantenerlos limpios.

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La otra cara es que los costos de la CSP han seguido cayendo, y es probable que gran parte de esos ahorros se apliquen a la química impulsada por calor como esta. Es posible que este concepto básico, química verde alimentada por energía solar, pueda adaptarse para producir un combustible con un valor superior al queroseno.

naturaleza temperamental, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04174-y (Acerca de los DOI).