พลังงานแสงอาทิตย์สามารถเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงได้อย่างไร

พลังงานของดวงอาทิตย์ถูกควบคุมด้วยวิธีต่างๆ อยู่แล้ว: ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์เปลี่ยนแสงจากดวงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า การติดตั้งระบบระบายความร้อนด้วยแสงอาทิตย์จะใช้พลังงานความร้อนมหาศาลของดวงอาทิตย์เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เช่น การให้ความร้อนแก่ของไหลที่มีอุณหภูมิสูง โรงไฟฟ้าพลังความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์เกี่ยวข้องกับการนำวิธีที่สองนี้ไปใช้ในวงกว้าง: การใช้กระจกหลายพันดวง แสงจากดวงอาทิตย์จะโฟกัสไปที่หม้อไอน้ำที่ผลิตไอน้ำโดยตรงหรือผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อุณหภูมิเกิน 500 °C กังหันจะเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า นักวิจัยจาก Paul Scherrer Institute PSI และ ETH Zurich ได้ร่วมมือกันเพื่อพัฒนาทางเลือกใหม่สำหรับแนวทางนี้ ขั้นตอนใหม่นี้ใช้พลังงานความร้อนของดวงอาทิตย์เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์โดยตรง "สิ่งนี้ช่วยให้เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปแบบของพันธะเคมี" Ivo Alxneit นักเคมีจากห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ของ PSI อธิบาย "ง่ายกว่าการเก็บไฟฟ้า" วิธีการใหม่นี้ใช้หลักการที่คล้ายคลึงกันกับที่ใช้โดยโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์" Alxneit และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้ความร้อนเพื่อกระตุ้นกระบวนการทางเคมีบางอย่างซึ่งจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมากเกินกว่า 1,000 °C เท่านั้น ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์จะเกิดขึ้นในไม่ช้า อุณหภูมิดังกล่าวสามารถทำได้โดยใช้แสงจากดวงอาทิตย์.. ผลิตเชื้อเพลิงด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์ งานวิจัยของ Alxneit ตั้งอยู่บนหลักการของวัฏจักรเทอร์โม-เคมี ซึ่งเป็นคำศัพท์ที่ประกอบด้วยทั้งกระบวนการหมุนเวียนของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและพลังงานความร้อนที่จำเป็นสำหรับวัฏจักรนี้ ซึ่งผู้เชี่ยวชาญเรียกว่าพลังงานความร้อน เมื่อ 10 ปีก่อน นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนสารพลังงานต่ำ เช่น น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จากของเสียให้เป็นวัสดุที่อุดมด้วยพลังงาน เช่น ไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ วิธีนี้ใช้ได้กับวัสดุบางชนิด เช่น ซีเรียมออกไซด์ ซึ่งเป็นส่วนผสมของซีเรียมโลหะกับออกซิเจน เมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิที่สูงมากเกิน 1,500 °C ซีเรียมออกไซด์จะสูญเสียอะตอมออกซิเจนบางส่วน ที่อุณหภูมิต่ำกว่านี้ สารที่ลดลงนี้จะต้องการได้รับอะตอมออกซิเจนอีกครั้ง พลังงานแสงอาทิตย์ หากโมเลกุลของน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ถูกกำกับเหนือพื้นผิวที่กระตุ้นดังกล่าว จะปล่อยอะตอมของออกซิเจน (สัญลักษณ์ทางเคมี: O) น้ำ (H2O) เปลี่ยนเป็นไฮโดรเจน (H2) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เปลี่ยนเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ในขณะที่ซีเรียมออกซิไดซ์ตัวเองอีกครั้งในกระบวนการ สร้างเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับวัฏจักรซีเรียมออกไซด์เพื่อเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง . ไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ที่สร้างขึ้นในกระบวนการนี้สามารถใช้เพื่อผลิตเชื้อเพลิงได้ โดยเฉพาะไฮโดรคาร์บอนที่เป็นก๊าซหรือของไหล เช่น มีเทน น้ำมันเบนซิน และดีเซล เชื้อเพลิงดังกล่าวอาจใช้โดยตรงแต่ยังสามารถเก็บไว้ในถังหรือป้อนเข้ากริดก๊าซธรรมชาติ หนึ่งกระบวนการแทนที่จะเป็นสอง จนถึงปัจจุบัน การผลิตเชื้อเพลิงประเภทนี้จำเป็นต้องมีกระบวนการที่สองซึ่งแยกจากกัน: ที่เรียกว่าการสังเคราะห์ฟิสเชอร์-ทรอปช์ ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 2468 กลุ่มวิจัยของยุโรป SOLAR-JET เพิ่งเสนอการผสมผสานของวัฏจักรเทอร์โมเคมีและฟิสเชอร์- ขั้นตอน Tropsch อย่างไรก็ตาม ดังที่ Alxneit อธิบาย: "แม้ว่าโดยทั่วไปแล้ววิธีนี้จะช่วยแก้ปัญหาการจัดเก็บได้ แต่ความพยายามทางเทคนิคจำนวนมากก็เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อดำเนินการสังเคราะห์ Fischer-Tropsch" นอกจากการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์แล้ว ยังจำเป็นต้องมีโรงงานทางเทคนิคระดับอุตสาหกรรมแห่งที่สองอีกด้วย การผลิตเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์โดยตรงเป็นไปได้แล้ว ด้วยการพัฒนาวัสดุที่ช่วยให้สามารถผลิตเชื้อเพลิงได้โดยตรงภายในกระบวนการเดียว วิธีการใหม่ที่พัฒนาโดย Ivo Alxneit และเพื่อนร่วมงานของเขาจะเลิกใช้ขั้นตอน Fischer-Tropsch และด้วยเหตุนี้ในขั้นตอนที่สองด้วย สิ่งนี้ทำได้โดยการเติมโรเดียมจำนวนเล็กน้อยลงในซีเรียมออกไซด์ โรเดียมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีบางอย่าง เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าโรเดียมยอมให้เกิดปฏิกิริยากับไฮโดรเจน คาร์บอนมอนอกไซด์ และคาร์บอนไดออกไซด์ "ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นหัวข้อการวิจัยที่สำคัญสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์เหล่านี้" Alxneit กล่าว ผู้สมัครระดับปริญญาเอกของเขาที่ PSI Fangjian Lin เน้นย้ำว่า: "มันเป็นความท้าทายอย่างมากในการควบคุมสภาวะที่รุนแรงซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้ และพัฒนาวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทนต่อกระบวนการกระตุ้นที่ 1,500 °C" ตัวอย่างเช่น ในระหว่างกระบวนการทำให้เย็นลง เกาะโรเดียมที่มีขนาดเล็กมากบนพื้นผิววัสดุจะต้องไม่ถูกปล่อยให้หายไปหรือเพิ่มขนาด เนื่องจากเกาะเหล่านี้มีความสำคัญต่อกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่คาดการณ์ไว้ เชื้อเพลิงที่ได้จะถูกใช้หรือเก็บไว้ และกระบวนการหมุนเวียนจะเริ่มต้นอีกครั้งเมื่อเปิดใช้งานซีเรียมออกไซด์อีกครั้ง นักวิจัยที่ทำงานในห้องทดลองของ PSI และ ETH ในเมืองซูริกใช้วิธีมาตรฐานต่างๆ ในการวิเคราะห์โครงสร้างและก๊าซในซูริก ตรวจสอบสารประกอบซีเรียม-โรเดียม สำรวจว่าการลดลงของซีเรียมออกไซด์ทำงานได้ดีเพียงใด และการผลิตมีเทนที่ประสบความสำเร็จเป็นอย่างไร "จนถึงตอนนี้ กระบวนการที่รวมกันของเราให้เชื้อเพลิงที่ใช้งานได้โดยตรงในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น" Alxneit สรุป .. "แต่เราได้แสดงให้เห็นว่าแนวคิดของเราใช้ได้ผล และมันพาเราออกจากโลกแห่งนิยายวิทยาศาสตร์ไปสู่ความเป็นจริง"