راه اندازی یک پالایشگاه خورشیدی برای تولید سوخت مایع از نور خورشید + تصاویر

به نقل از ethz، محققان ETH زوریخ فناوری را توسعه داده‌اند که می‌تواند سوخت‌های حمل‌ونقل بدون کربن را از نور خورشید و هوا تولید کند. در دو سال گذشته، محققان به رهبری پروفسور آلدو استاینفلد مسئول حامل‌های انرژی تجدیدپذیر در ETH، یک مینی پالایشگاه خورشیدی را روی سقف آزمایشگاه ماشین در مرکز زوریخ راه‌ اندازی کرده‌اند. این سیستم منحصر به فرد می‌تواند سوخت‌های مایع حمل‌ونقل مانند متانول یا نفت سفید را از نور خورشید و هوا در یک فرآیند ترموشیمیایی چند مرحله‌ای تولید کند.

سوخت‌ قطره ای چیست؟

سوخت‌های قطره‌ای جایگزین‌های مصنوعی برای سوخت‌های هیدروکربنی مایع مشتق‌ شده از نفت مانند نفت سفید و بنزین هستند که کاملاً با زیرساخت‌های موجود برای ذخیره‌ سازی، توزیع و استفاده از سوخت‌های حمل‌ونقل سازگار هستند. این سوخت‌های مصنوعی می‌توانند به ویژه به پایداری حمل‌ونقل هوایی در مسافت طولانی کمک کنند. این‌ها سوخت‌های کربن خنثی هستند زیرا از انرژی خورشیدی برای تولید آن‌ها استفاده می‌شود و در طول احتراق خود تنها همان مقدار CO۲ آزاد می‌کنند که قبلاً برای تولید آن‌ها از هوا استخراج می‌شد. ارزیابی چرخه عمر زنجیره تولید سوخت خورشیدی نشان می‌دهد که ۸۰ درصد از انتشار گاز‌های گلخانه‌ای جلوگیری می‌شود.

پالایشگاه چگونه کار می‌کند؟

این یک داستان علمی تخیلی نیست، بلکه براساس ترمودینامیک خالص است. پالایشگاه خورشیدی شامل سه واحد تبدیل ترموشیمیایی است که به صورت سری یکپارچه شده اند؛ اول، واحد جذب مستقیم هوا که CO۲ و H۲O را مستقیماً از هوای محیط استخراج می‌کند. دوم، واحد ردوکس خورشیدی که CO۲ و H۲O را به مخلوط خاصی از CO و H۲ تبدیل می‌کند که اصطلاحاً گاز سنتز نامیده می‌شود و سوم، واحد سنتز گاز به مایع که در نهایت گاز سنتز را به هیدروکربن‌های مایع تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، در طول یک روز اجرا، مقدار گاز سنتز تولید شده حدود ۱۰۰ لیتر است که می‌تواند به حدود نیم دسی لیتر متانول خالص تبدیل شود. چندین جز از زنجیره تولید هنوز بهینه نشده اند که مرحله بعدی کار است.

دانشمندان گزینش پذیری کامل برای تقسیم H۲O به H۲ و ½ O۲ و CO۲ به CO و ½ O۲ را به دست آوردند، یعنی هیچ محصول جانبی ناخواسته‌ای از واکنش‌های ترموشیمیایی وجود نداشت. همچنین آن‌ها توانستند ترکیب گاز سنتز را برای سنتز متانول یا نفت سفید تنظیم کنند. با این حال، بهره وری انرژی هنوز بسیار پایین بود. تا به امروز، بالاترین مقدار بازدهی که برای راکتور خورشیدی اندازه گیری شده ۵.۶ درصد است. اگرچه این مقدار یک رکورد جهانی برای تقسیم حرارتی خورشیدی به حساب می‌آید، اما به اندازه کافی خوب نیست. بازیابی گرما بین مراحل ردوکس چرخه ترموشیمیایی ضروری است، زیرا می‌تواند راندمان راکتور خورشیدی را تا بیش از ۲۰ درصد افزایش دهد. علاوه بر این، فضایی برای بهینه سازی ساختار مواد ردوکس وجود دارد، به عنوان مثال با استفاده از ساختار‌های مرتب شده با چاپ سه بعدی برای بهبود انتقال گرما و جرم.

انرژی مورد نیاز به ازای هر مول CO۲ جذب شده حدود ۱۵ کیلوژول کار مکانیکی برای پمپ خلاء و ۵۰۰ تا ۶۰۰ کیلوژول گرما در دمای ۹۵ درجه سانتیگراد بسته به رطوبت نسبی هوا است. در اصل می‌توان از گرمای تلف شده برای هدایت واحد جذب مستقیم هوا استفاده کرد. اما مقدار زیادی گرمای با دمای بالا برای تقسیم H۲O و CO۲ مورد نیاز است و این توسط انرژی خورشیدی متمرکز تامین می‌شود. میدان هلیوستات با تمرکز بر یک برج خورشیدی می‌تواند برای افزایش مقیاس استفاده شود. مینی پالایشگاه فعلی از یک راکتور خورشیدی ۵ کیلوواتی استفاده می‌کند و در حالی که مقیاس ۱۰ برابری راکتور خورشیدی قبلاً در یک برج خورشیدی آزمایش شده، هنوز مقیاس ۲۰x اضافی برای یک ماژول راکتور خورشیدی ۱ مگاواتی مورد نیاز است. برج خورشیدی مجموعه‌ای از ماژول‌های راکتور خورشیدی را پیش‌بینی می‌کند و می‌تواند از زیرساخت‌های متمرکز خورشیدی که قبلاً برای نیروگاه‌های حرارتی تجاری ایجاد شده، استفاده کند.

آلدو استاینفلد و همکارانش قبلاً دو فرآورده به نام‌های Climeworks، فناوری جذب CO۲ از هوا و Synhelion، فناوری تولید سوخت خورشیدی از CO۲ را به مرحله تجاری سازی رسانده اند. تحلیل این گروه از ابزار‌های سیاست نشان می‌دهد که نیاز به پشتیبانی‌های مالی فراوان مشابه آنچه برای انرژی خورشیدی و بادی وجود داشته، وجود دارد. هزینه ساخت و بهره برداری هر دوی این‌ها تقریباً ده برابر بیشتر از مولد‌های فسیلی بود. مقایسه با سایر فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر نشان می‌دهد که با یک مکانیسم پشتیبانی مشابه، می‌توان هزینه نفت سفید خورشیدی را تا سطح هزینه فعلی سوخت فسیلی هوانوردی کاهش داد.

مهمترین موانع چیست؟

سخت‌ترین قسمت قیمت اولیه بالا است. اگر بخواهیم از سوخت فسیلی هوانوردی تا جایی مالیات بگیریم که هزینه آن برای خطوط هوایی برابر با سوخت خورشیدی باشد این به معنای گران شدن آن به میزان ده برابر خواهد بود. هیچ کس نمی‌خواهد این هزینه اضافی را برای پرواز بپردازد و سیاستمداران حاضر نیستند این بار را به مردم تحمیل کنند. به نظر آنتونی پت بهترین ابزار برای بازار سوخت، سیستم سهمیه بندی است. شرکت‌های هواپیمایی و فرودگاه‌ها باید حداقل سهمی از سوخت‌های تجدیدپذیر در کل حجم سوختی که در هواپیماهایشان می‌گذارند، داشته باشند. افزایش سهمیه منجر به سرمایه گذاری و به نوبه خود منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود، همانطور که در مورد باد و خورشید مشاهده کردیم. زمانی که سوخت‌های خورشیدی به ۱۰ تا ۱۵ درصد حجم سوخت برسند، باید هزینه‌های شان هم نزدیک به نفت سفید فسیلی باشد. این استراتژی از نظر سیاسی امکان پذیر و اجرای آن ساده است.

چه مکان‌هایی برای تاسیسات تولیدی بزرگ مناسب است؟

یک راکتور خورشیدی نیاز به نور مستقیم خورشید دارد و منطقی است که آن‌ها را در محیط‌های خشک بسازیم، مانند جنوب اسپانیا، شمال آفریقا، شبه جزیره عربستان، استرالیا، جنوب غربی آمریکا، صحرای گوبی چین یا صحرای آتاکاما در شیلی. سوخت‌های خورشیدی یک کالای جهانی بر همان زیرساخت‌های اساسی برای حمل‌ونقل و تحویل متکی خواهند بود.

آلدو استاینفلد بر این باور است که مکان‌های مناسب مناطقی هستند که تابش خورشید به شکل مستقیم سالانه بالاتر از ۲۰۰۰ کیلو وات ساعت بر متر مربع در سال باشد. برخلاف سوخت‌های زیستی که با تامین منابع محدود می‌شوند، تقاضای جهانی سوخت جت را می‌توان با استفاده از کمتر از یک درصد از زمین‌های خشک در سراسر جهان برآورده کرد. به عنوان نمونه مصرف جهانی نفت سفید هواپیمایی در سال ۲۰۱۹، ۴۱۴ میلیارد لیتر بوده است. مجموع زمین مورد نیاز برای تاسیس نیروگاه‌های خورشیدی برای برآوردن کامل تقاضای جهانی حدود ۴۵ هزار کیلومتر مربع و معادل ۰.۵ درصد از مساحت صحرا‌ها خواهد بود.