Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Hexian
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
"Làn gió mát trên sông và vầng trăng sáng trên núi trở thành âm thanh khi nghe bằng tai và màu sắc khi nhìn bằng mắt. Chúng vô tận và vô tận. Chúng là kho báu vô tận của Đấng sáng tạo." Mặc dù Tô Thức nói ra câu này rất sâu sắc, nhưng ông không bao giờ có thể ngờ rằng cơn gió này không chỉ có thể là "nấu ăn không cần gạo" mà còn là "thuốc chữa bách bệnh".
Cách đây không lâu, các nhà khoa học Trung Quốc đã lần đầu tiên tổng hợp hoàn toàn các phân tử tinh bột từ carbon dioxide trong không khí trong phòng thí nghiệm, mở ra một chiến lược đầy hứa hẹn để giải quyết khủng hoảng lương thực và biến đổi khí hậu.
Thật trùng hợp, một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich (tiếng Đức: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, viết tắt là ETH) gần đây đã thiết kế một thiết bị sử dụng ánh sáng mặt trời và không khí để trực tiếp sản xuất hydrocarbon lỏng hoặc nhiên liệu methanol, mở ra một hướng đi mới cho quá trình hấp thụ và sử dụng carbon dioxide.
Thành tựu này đã được công bố trên tạp chí khoa học hàng đầu Nature. Thiết bị này được cho là có khả năng sản xuất 32 ml methanol trong một ngày làm việc bảy giờ khi hoạt động trong điều kiện bình thường. Nghe có vẻ tuyệt vời phải không? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu nhé.
Nguồn hình ảnh: Nature
Bí mật của không khí thành nhiên liệu:
Bộ thiết bị thí nghiệm bằng vàng này nằm trên nóc Tòa nhà Phòng thí nghiệm Robot của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ chính là nhân vật chính của câu chuyện ngày hôm nay. Trông thật phi thường, đơn giản và thanh lịch, anh ấy đang cầm ô, trông rất phong cách. Nội thất bên trong có đơn giản như vẻ bề ngoài của nó không? Có vẻ không phải vậy nhưng thực ra có chút phức tạp.
Sơ đồ quy trình của thiết bị thí nghiệm (Nguồn ảnh: Nature)
Nhưng sự thật thì luôn đơn giản. Để mọi người hiểu rõ hơn và nhanh hơn về nguyên lý hoạt động của thiết bị, sau đây là sơ đồ dòng chảy đơn giản của thiết bị sản xuất nhiên liệu không khí để tham khảo:
Nguồn hình ảnh: Được thực hiện bởi tác giả
Chúng ta đều biết rằng có một định luật quan trọng trong tự nhiên, đó là định luật bảo toàn khối lượng. Trong phản ứng hóa học, loại nguyên tử trong một chất không thay đổi và số lượng của chúng không tăng cũng không giảm. Chúng chỉ đơn giản là kết hợp lại và chuyển đổi từ phương thức kết nối này sang phương thức kết nối khác, giống như cách một lớp học được chia lại thành các nhóm sau khi đổi chỗ ngồi. Các nguyên tử bị xáo trộn và sắp xếp lại, nhưng mọi người trong lớp vẫn giữ nguyên.
Nếu chúng ta muốn có methanol hoặc các nhiên liệu hydrocarbon lỏng khác, nguyên liệu thô để chế biến chúng cũng phải chứa các nguyên tố tương tự, cụ thể là carbon, hydro và oxy. Không khí là hỗn hợp chứa nitơ, oxy, khí hiếm, carbon dioxide và các chất khác. Phần thể tích của carbon dioxide là khoảng 0,04%, hơi nước và các tạp chất khác chiếm khoảng 0,002%. Hàm lượng tương đối lớn và chứa các nguyên tố mong muốn, giúp cho việc sản xuất nhiên liệu lỏng trở nên khả thi. Sau khi được thu thập và làm sạch bằng thiết bị thu không khí, có thể thu được carbon dioxide tương đối tinh khiết (độ tinh khiết 98%) và nước (các chất ô nhiễm nhỏ hơn 0,2ppm, ppm có nghĩa là phần triệu). Nhiệm vụ tiếp theo là chuyển đổi carbon dioxide và nước thành nhiên liệu.
Việc chuyển đổi trực tiếp rất khó khăn, do đó biện pháp tạm thời là trước tiên phải chế biến chúng thành khí tổng hợp, cụ thể là hydro và carbon monoxide, đây là khí thô để chế biến nhiều nguyên liệu hóa học. Phương pháp mà thiết bị thử nghiệm này áp dụng là sử dụng năng lượng mặt trời để thúc đẩy phản ứng oxy hóa khử của carbon dioxide và hơi nước với xeri trioxide. Cacbon dioxit và nước lần lượt bị khử thành cacbon monoxit và hiđrô, trong khi xeri trioxit bị oxy hóa thành xeri dioxit. Sản phẩm oxy hóa là xeri dioxit cũng có thể được khử thành oxy và xeri trioxit thông qua quá trình khử nhiệt thu nhiệt, rất thuận tiện cho việc tái chế. Khí tổng hợp, carbon monoxide và hydro, sau đó sẽ đi vào thiết bị phản ứng để tạo ra sản phẩm mục tiêu, hydrocarbon lỏng hoặc methanol, tức là nhiên liệu không khí.
Hiệu ứng chạy thực tế:
Phương pháp sản xuất nhiên liệu lỏng bằng không khí làm nguyên liệu thô này nghe có vẻ hợp lý, nhưng liệu có khả thi không? Đầu tiên, chúng ta hãy xem xét về sản xuất. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong điều kiện làm việc bình thường, thiết bị hoạt động 7 giờ mỗi ngày và tạo ra tổng cộng 96,2 lít khí tổng hợp thông qua 17 chu trình oxy hóa khử liên tiếp, có thể được xử lý thành methanol trong thiết bị.
Tỷ lệ chuyển đổi mol khí tổng hợp qua một lần đo bằng thiết bị là 27% và độ tinh khiết của metanol sản xuất là 65%.
Sau khi lượng khí tổng hợp còn lại chưa chuyển đổi được chuyển đổi sáu lần, tỷ lệ chuyển đổi mol cuối cùng là 85%. Chạy liên tục 7 giờ trong ngày, lượng metanol nguyên chất thu được là 32 ml. Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy đầu ra này tương tự như lượng điện mà một bóng đèn huỳnh quang 9 watt tiêu thụ trong 15 giờ. Tất nhiên, loại thiết bị này không chỉ giới hạn trong việc sản xuất methanol. Bằng cách lựa chọn một quy trình tổng hợp cụ thể, các loại nhiên liệu hydrocarbon khác cũng có thể được tùy chỉnh.
Các nhà nghiên cứu hình dung rằng nếu thành tựu này được đưa vào sử dụng thương mại, nó sẽ tạo ra lợi nhuận khổng lồ. Ví dụ, một nhà máy nhiên liệu mặt trời quy mô thương mại có thể sử dụng 10 cánh đồng heliostat, giả sử mỗi cánh đồng thu được 100 MW bức xạ nhiệt mặt trời và hệ thống có hiệu suất tổng thể η là 10%. Quá trình này sẽ sản xuất được 95.000 lít dầu hỏa mỗi ngày, đủ để cung cấp nhiên liệu cho một chiếc Airbus A350 chở 325 hành khách từ London đến New York và ngược lại.
Nguồn hình ảnh: Khoa học phổ biến Trung Quốc
Vậy chất lượng của những loại nhiên liệu này thế nào? Hãy so sánh nó với nhiên liệu hàng không thông thường. Phương pháp thông thường để sản xuất dầu hỏa hàng không hiện nay là hydrocracking dầu nặng và sản phẩm tạo ra chắc chắn sẽ chứa các chất gây ô nhiễm không khí, chẳng hạn như hợp chất chứa lưu huỳnh, hợp chất chứa nitơ, hydrocacbon thơm đa vòng, kim loại nặng, v.v. Các thử nghiệm đốt cháy đã chỉ ra rằng nhiên liệu phản lực được sản xuất bởi thiết bị oxy hóa khử năng lượng mặt trời đã làm giảm đáng kể lượng khí thải các chất độc hại, đây là một lợi thế độc đáo. Ngoài ra, dầu mỏ là nguồn năng lượng không tái tạo, trong khi không khí có thể khai thác liên tục và có triển vọng hơn về lâu dài.
Nguồn hình ảnh: whbyhsh.com
Ý nghĩa của việc ném xung quanh:
Câu chuyện không kết thúc ở đó. Trong thiết bị oxy hóa khử năng lượng mặt trời này, carbon dioxide và nước được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng dưới tác động của năng lượng mặt trời và khi đưa nhiên liệu lỏng vào sử dụng, carbon dioxide và nước lại được tạo ra. Về mặt vật chất, lượng khí thải carbon và mức tiêu thụ carbon là như nhau, do đó các nhà nghiên cứu gọi đây là "cột mốc về tính trung hòa carbon". Về mặt năng lượng, phần lớn năng lượng trong quá trình chế biến nhiên liệu đến từ năng lượng mặt trời và quá trình đốt cháy nhiên liệu sau đó có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác khi cần, tương đương với việc sử dụng gián tiếp năng lượng sạch.
Nguồn hình ảnh: veer gallery
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu tính toán rằng dựa trên hiệu suất của các hệ thống nhiên liệu mặt trời hiện tại, một thiết bị thu giữ không khí sẽ cần diện tích khoảng 4.500 mét vuông để thu giữ 100.000 tấn carbon dioxide mỗi năm. Giả sử hiệu suất tổng thể của hệ thống η là 10%, một nhà máy nhiên liệu mặt trời như vậy sẽ sản xuất khoảng 34 triệu lít nhiên liệu mỗi năm. Để so sánh, mức tiêu thụ dầu hỏa hàng không toàn cầu là 414 tỷ lít vào năm 2019. Để đáp ứng đầy đủ nhu cầu toàn cầu, tổng diện tích của tất cả các nhà máy điện mặt trời sẽ phải vào khoảng 45.000 km2, chỉ bằng 0,5% diện tích của sa mạc Sahara.
Nguồn hình ảnh: veer gallery
Có vẻ như hệ thống nhiên liệu mặt trời dễ quảng bá vì có nguyên liệu thô dễ kiếm, thân thiện với môi trường và chiếm ít diện tích. Tuy nhiên, họ đang phải đối mặt với những thách thức trong thực tế. Chi phí đầu tư ban đầu cho nhiên liệu nhiệt hóa học mặt trời rất cao. Nhiên liệu phản lực thông thường thường có giá không quá 1 đô la một lít, trong khi nhiên liệu phản lực năng lượng mặt trời có giá hơn 10 đô la một lít, do đó không có lợi thế trong ngắn hạn.
Trước tình hình này, các nhà nghiên cứu có hai cân nhắc. Đầu tiên, họ kêu gọi hỗ trợ chính sách để tạo ra thị trường ngắn hạn cho thế hệ nhà máy điện nhiên liệu mặt trời thương mại đầu tiên. Bước này rất quan trọng. Thứ hai, họ kêu gọi tự cải tiến thông qua quy mô kinh tế và tối ưu hóa quy trình, sản xuất quy mô lớn các thành phần chính và cải tiến liên tục để giảm chi phí, qua đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Giảm phát thải carbon là một chủ đề dài hạn. Đây không phải là vấn đề mà một khu vực hay nhóm người nào đó cần phải suy nghĩ, mà là vấn đề chung của toàn thể nhân loại. Theo quan điểm bảo toàn khối lượng, carbon không biến mất mà có thể chuyển hóa thành dạng tồn tại có lợi hơn. Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa biết CO2 có tiềm năng chuyển đổi lớn đến mức nào và có bao nhiêu ứng dụng khả thi. Tất cả đều phụ thuộc vào trí tưởng tượng của con người, đó là nguồn gốc của sự đổi mới và thay đổi.
Tài liệu tham khảo:
Schäppi, R., Rutz, D., Dähler, F. và cộng sự. Nhiên liệu tự nhiên từ ánh sáng mặt trời và không khí. Thiên nhiên (2021).
