Konversikan karbon dioksida dan sinar matahari dalam bahan bakar cair Ini bukan lagi sekadar ide eksotis di laboratorium. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa tim peneliti Eropa dan Asia telah mengambil langkah tegas untuk memastikan bahwa beberapa bahan bakar masa depan berasal dari CO₂, yang saat ini dianggap sebagai produk limbah.
Di Spanyol, sebuah proyek yang dipimpin oleh Universitas Umum Navarra Lembaga ini bekerja sama erat dengan pusat teknologi dan perusahaan untuk merancang perangkat yang menghasilkan bahan bakar sintetis terbarukan dari air dan CO₂Sementara itu, di negara lain, sistem fotosintesis buatan sedang disempurnakan yang dapat diintegrasikan ke dalam rantai produksi ini, sehingga menggambarkan gambaran di mana "membuat bahan bakar dari udara" tidak lagi terdengar seperti fiksi ilmiah.
Dari Panel ke Bahan Bakar: memproduksi bahan bakar dengan tenaga surya, air, dan CO₂ di Spanyol
Proyek Panel ke Bahan Bakar, dipromosikan oleh Universitas Negeri Navarra (UPNA) melalui institut INAMAT², Pusat Teknologi Lurederra dan perusahaan Teknik Mesin Navarra (INM)Tujuannya adalah untuk menunjukkan bahwa hal itu mungkin dilakukan. memproduksi bahan bakar sintetis hanya dengan menggunakan sumber yang dapat diperbarui: radiasi matahari, air dan CO₂ yang ditangkap dari udara.
Ide utamanya adalah mengganti sebagian dari bahan bakar cair yang berasal dari minyak bumi dengan alternatif yang kompatibel dengan mesin saat ini, tetapi dihasilkan melalui proses yang tidak meningkatkan CO₂ di atmosfer. Untuk tujuan ini, diusulkan sebuah siklus di mana CO₂ ditangkap dari udara, dan hidrogen hijau diperoleh dengan menggunakan sinar matahari. dan keduanya digabungkan untuk menciptakan bahan bakar sintetis yang dapat digunakan dalam transportasi.
Pendekatan ini berupaya mengatasi salah satu tantangan iklim utama: dekarbonisasi sektor-sektor yang sulit untuk dialiri listrik, seperti transportasi darat berat, maritim, atau penerbangan, di mana penggantian langsung dengan baterai tidak selalu layak secara teknis atau ekonomis.
Proyek ini tidak terbatas pada pengembangan bahan kimia saja, tetapi juga mencakup analisis ekonomi dan lingkungan untuk mengetahui apakah proses tersebut dapat bersaing, dalam jangka menengah, dengan pilihan bahan bakar fosil tradisional dan alternatif terbarukan lainnya yang sudah ada di pasaran.
Panel fotokatalitik yang meniru tumbuhan
Inti dari Panel-to-Fuel terletak pada sebuah panel fotokatalitik yang cara kerjanya berbeda dari panel fotovoltaik konvensional. Alih-alih menghasilkan listrik, perangkat ini menggunakan sinar matahari untuk memisahkan molekul air dan menghasilkan hidrogentanpa perlu menggunakan energi dari jaringan listrik.
Desain UPNA reaktor yang diproduksi menggunakan pencetakan 3Ddengan geometri yang dirancang untuk mengekspos material aktif secara optimal terhadap radiasi matahari. Tujuannya adalah untuk mendistribusikan cahaya dengan lebih baik di seluruh permukaan tempat reaksi terjadi, sehingga meningkatkan jumlah hidrogen yang dapat diperoleh dari air.
Sementara itu, Pusat Teknologi Lurederra memberikan kontribusinya. nanomaterial yang mampu menangkap dan memanfaatkan sinar matahari dengan efisiensi tinggiSenyawa-senyawa ini bertindak sebagai fotokatalis, yaitu, mereka memicu dan mempercepat reaksi kimia ketika menerima foton, mirip dengan apa yang dilakukan pigmen pada daun tumbuhan selama fotosintesis alami.
Perusahaan Ingeniería Navarra Mecánica bertanggung jawab atas rekayasa prototipe terintegrasi pertama, sebuah unit demonstrasi yang akan menyatukan dalam satu sistem produksi hidrogen, penangkapan CO₂ dan sintesis bahan bakar terbarukan selanjutnya.
Seiring dengan pengembangan peralatan ini, konsorsium tersebut sedang mengerjakan... bahan adsorben untuk menangkap CO₂ dari udara, mampu menahan gas ini di permukaannya dan kemudian melepaskannya secara terkontrol untuk dimasukkan ke dalam reaksi konversi.
Dari CO₂ dan hidrogen ke bahan bakar cair: metanol dan Fischer-Tropsch
Setelah Anda memiliki hidrogen hijau dan CO₂ yang ditangkapTahap selanjutnya adalah mengubahnya menjadi molekul yang dapat digunakan sebagai bahan bakar cair. Tim yang dipimpin oleh Luis Gandía Pascual dan Fernando Bimbela Serrano sedang menganalisisnya. dua rute utama untuk mencapainya.
Resor pertama yang metanol sebagai langkah perantaraDalam kasus ini, CO₂ bereaksi dengan hidrogen membentuk metanol, sebuah molekul yang selanjutnya dapat diubah menjadi bahan bakar yang lebih kompleks atau digunakan secara langsung dalam aplikasi industri dan energi tertentu.
Rute kedua didasarkan pada versi proses yang telah diadaptasi. Fischer-TropschTeknologi yang sudah dikenal luas yang memungkinkan konversi campuran karbon monoksida dan hidrogen menjadi hidrokarbon cair yang mirip dengan bahan bakar konvensionalKuncinya di sini adalah menyesuaikan kondisi dan katalis untuk memulai dengan CO₂ dan mendapatkan campuran gas yang sesuai untuk bahan bakar proses tersebut.
Konsorsium tersebut membandingkan kedua opsi untuk menentukan jalur mana yang paling sesuai dengan rangkaian lengkapnyaDengan mempertimbangkan efisiensi energi, biaya operasional, kompleksitas teknis, dan integrasi dengan modul penangkapan CO₂ dan panel produksi hidrogen fotokatalitik.
Menurut peneliti Fernando Bimbela, kepala kelompok QuiProVal di UPNA, prototipe yang dikembangkan telah memungkinkan Dapatkan metana surya dari CO₂ dan hidrogen hijau.dan upaya sedang dilakukan untuk meningkatkan skala produksi menuju hidrokarbon dengan jumlah atom karbon yang lebih tinggi, lebih mendekati bahan bakar cair yang digunakan sehari-hari.
Desain melengkung, sistem modular, dan dukungan Eropa.
Salah satu elemen khas dari Panel-to-Fuel adalah pengembangan sebuah reaktor dengan desain melengkung Desain ini memusatkan radiasi matahari secara tepat di area tempat reaksi kimia terpenting terjadi. Geometri ini memungkinkan penggunaan sinar matahari dan panas yang lebih baik, sehingga meningkatkan efisiensi sistem.
Tujuan utamanya adalah untuk memiliki sebuah perakitan modular yang mampu beroperasi secara terus menerus dan stabil.Melakukan tiga tugas secara bersamaan: memproduksi hidrogen, menangkap CO₂ dari udara, dan mengubahnya menjadi bahan bakar sintetis. Modularitas akan memfasilitasi adaptasi kapasitas produksi ke lingkungan yang berbeda, mulai dari fasilitas percontohan di dekat pusat penelitian hingga pabrik berskala lebih besar yang berdekatan dengan sektor industri atau logistik.
Selain desain teknis, proyek ini juga mencakup... studi kelayakan ekonomi dan dampak lingkunganPenting untuk menilai apakah bahan bakar sintetis ini dapat bersaing dengan bahan bakar diesel, bensin, atau minyak tanah konvensional, serta dengan alternatif seperti kendaraan listrik atau hidrogen terkompresi.
Fitur Panel-ke-Bahan Bakar Pendanaan dari Badan Penelitian NegaraDari Rencana Pemulihan, Transformasi, dan Ketahanan dan dari dana Eropa Generasi BerikutnyaEUserta bantuan seperti RENOCogenHal ini memperkuat peran jenis proyek ini dalam strategi dekarbonisasi dan reindustrialisasi hijau Spanyol dan Uni Eropa.
Tim tersebut mencakup para peneliti dari UPNA seperti Luis Gandía, Fernando Bimbela dan Ismael Pellejero; dari Lurederra, sebagai Cristina Salazar dan Carmen Garijo; dan dari perusahaan Ingeniería Navarra Mecánica, di antaranya Uxue LlorenteHal ini menunjukkan kolaborasi erat antara universitas, pusat teknologi, dan sektor bisnis.
Fotosintesis buatan: kemajuan internasional mengarah pada bahan bakar surya
Sementara di Navarre mereka berupaya mengintegrasikan seluruh proses ke dalam satu sistem modular, kelompok internasional lainnya sedang membuat kemajuan pada komponen pelengkapnya: katalis fotonik berkinerja tinggi mampu mengubah CO₂ hanya dengan menggunakan sinar matahari dan air sebagai masukan utama.
Contoh terbaru datang dari sebuah tim di Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok dan dari Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong, yang telah menghadirkan sebuah sistem fotosintesis buatan Diterbitkan dalam jurnal Nature Communications. Pendekatan mereka melibatkan penggunaan material yang disebut Ag/WO₃, yaitu tungsten trioksida yang dimodifikasi perak, yang bertindak sebagai semacam penyimpanan elektron sementara di dalam katalis.
Ketika material ini disinari, maka material ini dapat menyimpan dan melepaskan elektron secara terkontrol, yang merupakan kunci untuk mengurangi CO₂ secara lebih efisien. Ketika dikombinasikan dengan katalis molekuler berbasis kobalt, kobalt ftalosianinSistem ini berhasil mengubah CO₂ dan air menjadi karbon monoksida dengan kecepatan yang jauh lebih unggul dibandingkan konfigurasi sebelumnya.
Dalam kondisi laboratorium, tingkat produksi sekitar 1,5 milimol karbon monoksida per gram katalis per jamkira-kira seratus kali lebih banyak daripada katalis kobalt yang sama tanpa "reservoir muatan" yang disediakan oleh Ag/WO₃. Meskipun masih dalam skala kecil, peningkatan kinerja ini signifikan secara ilmiah.
Karbon monoksida bukanlah bahan bakar yang siap digunakan dalam tangki, tetapi merupakan salah satu Blok bangunan kimia dasar untuk pembuatan bahan bakar sintetis, melalui jalur industri yang sudah dikenal seperti sintesis gas (syngas) yang diikuti oleh proses tipe Fischer-Tropsch, logika yang sama persis yang dieksplorasi dalam proyek-proyek seperti Panel-to-Fuel.
Desain yang lebih bersih: air sebagai sumber elektron
Salah satu masalah umum pada banyak skema fotosintesis buatan adalah perlunya menggunakan agen yang dapat dibuangZat tambahan memfasilitasi reaksi tetapi dikonsumsi dan menghasilkan limbah. Desain Tiongkok berupaya mengatasi keterbatasan ini dengan menggunakan air sebagai sumber elektron, sebuah pendekatan yang lebih mendekati fungsi daun asli.
Di alam, molekul seperti plastokuinon menyimpan elektron untuk sementara waktu guna melakukan koordinasi. beberapa reaksi fotokimia sekaligusTerinspirasi oleh perilaku ini, sistem Ag/WO₃ memungkinkan tungsten untuk mengubah keadaan oksidasinya dengan menerima dan melepaskan elektron, sehingga katalis yang mereduksi CO₂ memiliki lebih banyak muatan yang tersedia untuk waktu yang lebih lama.
Mekanisme ini penyimpanan muatan intermiten Hal ini mengurangi kerugian dan meningkatkan efisiensi keseluruhan proses, yang sangat penting jika sistem ini ingin beralih dari laboratorium ke aplikasi praktis di mana biaya per kilogram produk sangat krusial.
Hal yang menarik adalah perangkat ini tidak hanya berfungsi di bawah pencahayaan buatan yang terkontrol, tetapi juga telah diuji dengan sinar matahari alamisambil tetap mempertahankan kemampuannya untuk mengubah CO₂ menjadi karbon monoksida. Detail ini menunjukkan bahwa teknologi tersebut dapat diintegrasikan ke dalam reaktor yang ditenagai langsung oleh energi terbarukan, tanpa harus menggunakan jaringan listrik.
Dari perspektif desain material, strategi Ag/WO₃ menghadirkan pendekatan yang relatif serbaguna, karena penyangga yang sama dapat dikombinasikan dengan katalis spesifik yang berbeda tergantung pada produk akhir yang diinginkan, membuka pintu bagi beragam bahan bakar dan senyawa kimia yang berasal dari matahari.
Dampak iklim, tantangan, dan keselarasan dengan kebijakan Eropa
Kemungkinan Mengubah CO₂ menjadi bahan bakar sintetis dengan bantuan sinar matahari. Hal ini sangat sesuai dengan strategi dekarbonisasi Eropa, tetapi kontribusi sebenarnya akan bergantung pada keseluruhan siklus hidupnya. Agar bahan bakar ini netral iklim, CO₂ yang digunakan harus berasal dari sumber yang ditangkapbaik emisi industri maupun langsung dari udara, dan seluruh proses harus diberi pasokan dengan energi terbarukan.
Bahkan ketika kondisi tersebut terpenuhi, para ahli menunjukkan bahwa Efisiensi secara keseluruhan masih jauh dari ideal.Setiap tahapan —penangkapan CO₂, produksi hidrogen, konversi menjadi bahan bakar cair, penyimpanan, dan distribusi— melibatkan kehilangan energi yang berujung pada biaya ekonomi dan kebutuhan akan lebih banyak kapasitas energi terbarukan yang terpasang.
Meskipun demikian, bahan bakar surya ini dapat memainkan peran penting di sektor-sektor di mana Tidak mudah untuk melakukan elektrifikasi secara langsung. atau mengganti mesin dan infrastruktur yang ada dalam jangka pendek. Penerbangan, transportasi maritim, dan industri berat tertentu berulang kali muncul dalam daftar "sulit untuk dikurangi".
Dari perspektif kebijakan energi, muncul pula pertanyaan-pertanyaan yang sangat praktis: Berapa harga satu liter bahan bakar jenis ini? Dibandingkan dengan diesel atau bensin tradisional, bagaimana teknologi ini akan diintegrasikan ke dalam kilang dan jaringan yang ada, dan seberapa besar dukungan yang akan diterima teknologi ini dibandingkan dengan pilihan lain seperti kendaraan listrik atau hidrogen untuk sel bahan bakar?
Di Eropa, kombinasi proyek seperti Panel-to-Fuel dengan kemajuan internasional en fotosintesis buatan dan katalis baru Hal ini menunjukkan skenario di mana CO₂ tidak lagi hanya dilihat sebagai masalah dan sebagian dianggap sebagai sumber daya. Seiring dengan pemanasan iklim dan fluktuasi harga bahan bakar, pengembangan bahan bakar sintetis terbarukan berbasis sinar matahari dan CO₂ Hal ini muncul sebagai cara pelengkap bagi industri dan lingkungan untuk mulai bergerak ke arah yang sama.