Reaktory przepływowe zasilane energią słoneczną przekształcają dwutlenek węgla w paliwa
Przekształcanie dwutlenku węgla w użyteczne paliwo wydaje się proste, ale sam proces chemiczny jest bardzo skomplikowany. Wyzwaniem jest doprowadzenie do selektywnej i wydajnej reakcji dwutlenku węgla z wodą, trwającej na tyle długo, by proces ten mógł kiedyś znaleźć praktyczne zastosowanie poza laboratorium. W ramach finansowanego przez UE projektu NEFERTITI(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracowano system reaktorów zasilanych energią słoneczną, służący do wytwarzania paliw płynnych z dwutlenku węgla i wody. Wykorzystano w nim fotokatalizę – proces, w którym światło aktywuje katalizator, umożliwiając reakcję chemiczną – oraz przetestowano reaktory przepływowe zamiast zamkniętych reaktorów okresowych. Działania te wpisują się w prowadzone na szeroką skalę badania europejskie dotyczące przetwarzania dwutlenku węgla i wody w związki wieloatomowe przy pomocy energii słonecznej.
Reaktory przepływowe zasilane energią słoneczną wytwarzające etanol i inne paliwa
Celem projektu było zintegrowanie dwóch reaktorów fotokatalitycznych, elementów wychwytujących światło oraz systemu oczyszczania w jeden układ, który osiągnąłby poziom gotowości technologicznej TRL4, odpowiadający wczesnemu etapowi rozwoju technologii testowanej w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Pod koniec projektu system wykazał, że wydajność produkcji może się zmieniać w zależności od warunków pracy. Koordynator projektu David González Gálvez, kierownik regionalny w Centrum Technologicznym Leitat(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wyjaśnia: „Pod koniec projektu zintegrowany system wykazywał zdolność do generowania różnych produktów w zależności od warunków reakcji”. W pewnych warunkach wytwarzał etanol i inne alkohole o dłuższych łańcuchach; w innych zaś metan, metanol i aceton. Etanol okazał się najbardziej realistycznym celem w perspektywie krótkoterminowej, ponieważ zapewniał równowagę między selektywnością, dojrzałością procesu i znaczeniem rynkowym.
Reaktory przepływowe umożliwiły lepszą kontrolę produkcji paliwa
Kluczowym krokiem było przejście z procesu wsadowego na proces ciągły, w którym reagenty przepływają nieprzerwanie przez reaktor. González Gálvez stwierdza: „Główną zaletą reaktorów przepływowych jest wysoki poziom kontroli, jaki zapewniają w porównaniu z systemami okresowymi”. Ma to znaczenie, ponieważ na wydajność wpływają zarówno rozkład światła, jak i wymiana ciepła oraz interakcje między gazami, cieczami i katalizatorami. W ramach projektu nastąpiło również przejście od dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie do „mokrego” CO₂, czyli strumienia gazowego zawierającego parę wodną. Dzięki temu katalizator miał do dyspozycji większą ilość dwutlenku węgla, co przyspieszyło przebieg reakcji. W konsekwencji regulacja wilgotności stała się jednym z najtrudniejszych wyzwań na pierwszym etapie modernizacji.
Czego wciąż brakuje technologii paliw słonecznych, by można było ją wdrożyć na szeroką skalę?
W tym zintegrowanym procesie nadal występuje wąskie gardło: niska wydajność na obu etapach reakcji. Nawet przy wysokiej selektywności w stosunku do etanolu i wyższych alkoholi ogólna wydajność może pozostawać ograniczona. Przy wyższym stopniu konwersji system może zacząć wytwarzać głównie metan, co spowoduje spadek wydajności pożądanych produktów płynnych. González Gálvez zdradza, jaki będzie następny krok: „Najbardziej oczywistym kolejnym krokiem w przechodzeniu od etapu TRL4 do zastosowania tej technologii w przemyśle jest poprawa zarówno wydajności, jak i trwałości”. W większości eksperymentów stosowano kontrolowane światło sztuczne, natomiast prawdziwe światło słoneczne badano głównie pod kątem stabilności. W przyszłych badaniach należy zatem skupić się na zapewnieniu większej długoterminowej stabilności katalizatora, wyższej wydajności konwersji bez utraty selektywności w stosunku do etanolu oraz na lepszym zrozumieniu, w jaki sposób wahania natężenia światła słonecznego wpływają na wydajność. W ramach projektu NEFERTITI nie powstała instalacja do produkcji paliwa gotowa do wprowadzenia na rynek. Jednak projekt dostarczył sprawdzoną metodę integracji dwutlenku węgla, wody, światła i chemii przepływowej w jednej platformie, a także pozwolił lepiej zidentyfikować elementy wymagające poprawy, aby produkcja paliwa słonecznego mogła zbliżyć się do zastosowań przemysłowych.
