Ученые разрабатывают способ получения солнечного топлива от водорослей

Понедельник, 29 Апреля 2019
Ученые разрабатывают способ получения солнечного топлива от водорослей

Водоросли являются потенциальным источником энергии, так как их можно выращивать в соленой воде на пустынных землях с хорошей освещенностью, и они также содержит химические вещества, необходимые для производства солнечного топлива (водород, углерод и кислород). Уже ведутся исследования по снижению стоимости выращивания водорослей.

Затем солнечную тепловую энергию можно использовать для преобразования выращенных на фермах водорослей в топливо. Над этим работает группа по солнечному топливу при Австралийском национальном университете (ANU) во главе с Джоном Паем и Махешем Венкатараманом.

Термохимическое производство солнечного топлива является передовой технологией, разрабатываемой в национальных лабораториях по всему миру. Зеркала концентрируют солнечный свет и тепло на различных типах солнечных реакторов для достижения очень высоких температур, вплоть до 1500 градусов Цельсия.

Солнечные реакторы используются для проведения термохимии с тепловым приводом для перегруппировки молекул с получением водорода или синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода), который может быть дополнительно переработан для получения углеводородных топлив, таких как бензин, дизельное топливо и реактивное топливо.

В процессе, предложенном исследователями ANU, солнечное тепло используется для газификации биомассы при температуре до 605 градусов. Концентрированное солнечное излучение используется для нагрева водорослей и водной суспензии, а сочетание давления и температуры превращает биомолекулы водорослей в синтез-газ, который затем может быть превращен в бензин.

Однако водоросли являются очень «грязным» сырьем для биомассы, и разработка солнечного реактора для его газификации является сложной задачей. 

- Водоросли - это действительно химически сложная вещь, на самом деле в ней смешано много разных химикатов. Хотя в этом процессе мы не особо заботимся о его точной структуре. Все, что действительно имеет значение для нас, это то, сколько углерода, сколько водорода и сколько кислорода там есть. Вся сложная химия водорослей просто разрушается в условиях сверхкритической воды, когда воздействует тепло, - отметил Пай.

Процесс начинается с SCWG, технологии термохимического превращения следующего поколения для более быстрой химической конверсии с небольшим количеством отходов, при котором вода под давлением и водоросли нагреваются с использованием солнечной энергии, чтобы сделать их сверхкритическими. SCWG была испытана в лабораторных масштабах для преобразования органического сырья в газообразную топливную смесь, содержащую CO, CO2, водород и метан. 

 - Сверхкритическая газификация воды на самом деле не ограничивается водорослями. Вы можете в значительной степени газифицировать любое углеродистое сырье, такое как коммунальные отходы, отходы животных, растительные отходы, сельскохозяйственные отходы, используя SCWG, - сказал Венкатараман. 

Исследователи ANU сосредоточили свои знания в области солнечного топлива на водорослях, потому что они могли быть выращены в залитых солнцем пустынях с обилием дешевой территории, необходимым для полей гелиостатов, которые обеспечат тепло для реакции. Производство солнечного топлива из водорослей потребовало разработки полного процесса, включая последующую разработку солнечной установки SCWG с модифицированной установкой Фишера-Тропша для преобразования синтез-газа в жидкое топливо.

Как и в случае с другими солнечными реакторами для солнечного топлива, гелиостаты будут расположены перед башней. В солнечных реакторах гелиостаты фокусируют и концентрируют солнечный свет на приемнике в верхней части башни, который нагревает реактор и обеспечивает химические реакции, в этом случае влажная смесь водорослей из соседнего пруда с водорослями нагревается внутри трубок реактора до 605 градусов при давлении 24 МПа.

Для этого сконцентрировать раствор водорослей так, чтобы реактор работал эффективно, а затем он поднимается в башню. Водоросли начинают газифицировать при высокой температуре и давлении и формируют синтез-газ, который может превращаться в жидкое топливо.

Два реактора будут находиться в верхней части башни, один из них будет осуществлять сверхкритическую газификацию воды, а другой - паровую конверсию метана для достижения правильного соотношения водорода и оксида углерода для последующего процесса Фишера-Тропша (ФТ).

- Газы, образующиеся при газификации, богаты водородом, метаном и углекислым газом. Вы конденсируете эту смесь, и вы можете отделить воду и направить ее обратно в пруд с водорослями для выращивания новых водорослей. Чтобы преобразовать его в синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода) с соответствующим составом для нижерасположенного ФТ, используется паровой метановый риформер на солнечной энергии, - отметили исследователи.

Затем синтез-газ направляют в большой резервуар для хранения газа под давлением, чтобы хранить его для передачи в процесс ФТ, который преобразует синтез-газ в жидкое топливо в другом наборе реакторов. Хранение газа в первую очередь гарантирует, что он может непрерывно круглосуточно поддерживать процесс ФТ без сбоев после захода солнца.

Процесс ФТ должен будет отличаться от очень крупных коммерческих объектов, в настоящее время обслуживающих отрасль ископаемого топлива. Из-за их очень большого размера обычным реакторам ФТ требуется много времени, чтобы нагреться или остыть. Это означает, что они не могут легко нарастить можно, если долго нет солнца; тогда резервуар для хранения синтез-газа опустеет. Поэтому несколько исследователей и компаний по всему миру работают над новыми маломасштабными реакторами ФТ, включая микроканальные / микротрубчатые конструкции, лучше подходящие для солнечного топлива.

- Мы бы использовали микротрубчатый реактор, который мог бы справляться с переходными процессами лучше, чем обычный реактор. Остальная часть процесса будет иметь ту же схему, что и объект ФТ; ректификационная колонна, реактор гидрокрекинга и реактор риформинга, - отметил Венкатараман. 

Но еще предстоит решить вопрос балансирования затрат путем поиска наиболее экономически эффективного компромисса между увеличением частоты и хранением, так как сберегать синтез-газа дорого. 

Команда пыталась понять, работает ли каждый шаг их системы на основе водорослей. Для этого они смоделировали, как различные блоки - переходное солнечное поле, реактор газификации, хранилище и процесс микро FT - объединяются друг с другом.

Группа Пая уже продемонстрировала технико-экономическую осуществимость процесса производства жидкого топлива с помощью солнечной сверхкритической газификации воды. Приведенная стоимость производства топлива (LCOF) с использованием этой технологии составляет 2,24 доллара США за литр л в пересчете на бензин.

Это означает, что топливо из солнечных водорослей будет стоить примерно в три раза дороже бензина в Австралии в 2018 году. Но в настоящее время высокая стоимость самого выращивания водорослей составляет большую часть. Полностью нейтральный углеродный солнечный процесс, который разработали эти исследователи, стал бы конкурентоспособным, если бы стоимость выращивания водорослей снизилась.

Тем временем, команда планирует поработать над созданием модифицированной системы, которая могла бы перерабатывать потенциально более дешевое исходное сырье, такое как багасса (отходы сахарного тростника).

Следите за новостями в социальных сетях:

Спасибо, я уже в группе