Tháp năng lượng mặt trời đa năng biến giấc mơ sản xuất nhiên liệu máy bay không xả thải thành hiện thực

[VNR Content]

Ngành hàng không từ lâu đã luôn được… ưu tiên trong các cuộc thảo luận về biến đổi khí hậu. Trên thực tế, ngành này chịu trách nhiệm cho khoảng 5% tổng lượng khí thải do con người tạo ra trên toàn cầu, bởi lệ thuộc khá nhiều vào kerosene, hay nhiên liệu máy bay, một loại nhiên liệu hydrocarbon lỏng nguồn gốc từ dầu thô.
Cho đến lúc này, chưa có loại nhiên liệu nào đủ khả năng thay thế một cách hữu hiệu cho kerosene trong các chuyến bay thương mại đường dài trên quy mô toàn cầu.
Aldo Steinfeld, một giáo sư từ ETH Zurich, cùng các đồng sự đã thiết kế nên một hệ thống sản xuất nhiên liệu sử dụng nước, carbon dioxide và ánh sáng mặt trời để tạo ra nhiên liệu máy bay. Họ kỳ vọng giải pháp này sẽ giúp ngành công nghiệp hàng không tiến đến một tương lai không xả thải carbon!
“Chúng tôi là những người đầu tiên triển khai toàn bộ quy trình nhiệt hóa học từ nước và CO2 để cho ra kerosene trong một hệ thống tháp năng lượng mặt trời hoàn chỉnh” - Steifeld nói. Những nỗ lực trước đó nhằm sản xuất nhiên liệu hàng không bằng năng lượng mặt trời hầu hết chỉ mới được thực hiện trong phòng thí nghiệm mà thôi.

Lò phản ứng mặt trời sau khi hấp thụ bức xạ từ mặt trời

Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nhiên liệu tổng hợp thay thế​

Steinfeld và các cộng sự phát triển hệ thống nói trên trong khuôn khổ dự án SUN-to-LIQUID của EU. Liên minh châu Âu đang hướng đến mục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trên tổng mức năng lượng tiêu thụ lên 75% trong lộ trình năng lượng đến 2050 của mình.
Để đạt được mục tiêu này, họ cần một lượng lớn nhiên liệu vận tải thay thế, trong đó 40% là nhiên liệu carbon thấp trong ngành hàng không. Dự án nhiên liệu mặt trời kéo dài 4 năm, bắt đầu từ tháng 1/2016, với kỳ vọng giải quyết được vấn đề này.
Steinfeld và các cộng sự từng phát triển một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất các nhiên liệu tiên tiến, được sử dụng trực tiếp không cần thay đổi động cơ và cơ sở hạ tầng (gọi là “drop-in fuel”). Đây được xem là giải pháp tổng hợp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch như kerosene và diesel.
Theo Steinfeld, kerosene từ mặt trời tương thích với hạ tầng lưu trữ nhiên liệu và phân phối hiện tại của ngành hàng không và có thể dùng tốt trong động cơ máy bay. Nó còn có thể được trộn chung với kerosene từ hóa thạch.

Nhà máy sản xuất nhiên liệu bằng mặt trời được trang bị 169 tấm phản chiếu ánh sáng​

Một năm sau khi dự án được bắt đầu, vào năm 2017, nhóm phát triển bắt đầu tăng quy mô của thiết kế và xây dựng một nhà máy sản xuất nhiên liệu bằng mặt trời tại Viện Năng lượng IMDEA ở Tây Ban Nha. Nhà máy này có 169 tấm phản chiếu ánh sáng với chức năng tái điều hướng và tập trung bức xạ mặt trời vào một lò phản ứng mặt trời đặt ở đỉnh tháp.
Tiếp đó, năng lượng mặt trời thu được sẽ gây ra các chu kỳ phản ứng oxy hóa khử (redox) trong lò phản ứng mặt trời, vốn chứa một cấu trúc tổ ong làm từ ceria. Ceria là thứ không thể tiêu thụ hoàn toàn mà có thể được sử dụng lại nhiều lần, biến nước và CO2 đưa vào lò phản ứng thành syngas, một hỗn hợp chọn lọc của hydrogen và carbon monoxide.
Sau đó, syngas sẽ được đưa vào một bộ chuyển đổi gas sang chất lỏng, nơi nó được xử lý thành nhiên liệu hydrocarbon lỏng bao gồm kerosene và diesel.

Sơ đồ nhà máy sản xuất nhiên liệu hàng không từ mặt trời

Cải tiến thiết kế để tăng hiệu suất​

“Nhà máy nhiên liệu tháp mặt trời này được vận hành với một cơ chế đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp, đánh dấu một cột mốc về kỹ thuật hướng đến sản xuất nhiên liệu hàng không bền vững” - Steinfeld nói.
Theo tài liệu nghiên cứu, một đợt vận hành kéo dài 9 ngày của nhà máy, trong đó hiệu suất năng lượng của lò phản ứng mặt trời, tức tỷ lệ năng lượng mặt trời đưa vào được chuyển đổi sang năng lượng do syngas sản xuất được tạo ra là khoảng 4%.
Steinfeld nói rằng nhóm của ông đang nghiên cứu hết mình để cải thiện thiết kế, từ đó tăng hiệu suất lên hơn 15%. Họ cũng đang tìm hiểu những giải pháp để tối ưu cấu trúc tổ ong, nhằm hấp thụ bức xạ mặt trời, cũng như phát triển nhiều phương thức để khôi phục lượng nhiệt tỏa ra trong các chu kỳ redox.
Tham khảo: InterestingEngineering