Cómo ha despegado el combustible de aviación “caliente solar” a partir de H2O y CO2

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Fuente: Solarpaces.org

Preguntas y respuestas con Aldo Steinfeld, pionero en la investigación de combustibles solares

Aldo Steinfeld, profesor de ETH Zurich, ha estado desarrollando sistemáticamente las tecnologías para la producción de combustibles solares durante varias décadas. En un momento en que la energía solar concentrada (CSP) se intentó por primera vez como productora de electricidad, el laboratorio de Steinfeld ya estaba realizando una investigación fundamental sobre la producción de combustibles solares a partir de agua y CO2.

Se centró en la termoquímica y la ingeniería de reactores solares, pero también realizó I+D en captura directa de CO2 en el aire para cerrar el ciclo del carbono, en óptica solar de alto flujo para obtener las concentraciones solares requeridas y en almacenamiento de energía térmica a alta temperatura. para permitir el funcionamiento las 24 horas del día de una planta de combustible solar.

Muchos de sus antiguos alumnos de doctorado y maestría ahora trabajan en Synhelion y Climeworks, las dos empresas derivadas que surgieron de su laboratorio y están ampliando las tecnologías. Synhelion ya está planeando la puesta en marcha de la primera planta de combustible de torre solar industrial del mundo en 2023, y SWISS anunció que será la primera aerolínea en volar con su queroseno solar. Hemos cubierto el surgimiento de Synhelion aquí en SolarPACES, desde 2017.

(Al igual que la CSP para la generación de energía, una refinería de combustibles solares utiliza la luz solar calentada altamente concentrada que se refleja en un campo solar de espejos hasta un receptor solar. Luego, ese calor se usa directamente en un reactor químico para impulsar la conversión de agua y CO2 para producir combustible para aviones u otros combustibles sintéticos.)

 SK: Su artículo de 1995 (Producción de hidrógeno solar mediante un ciclo termoquímico novedoso de 2 pasos y división del agua) parecía haber abierto todo este campo de investigación, al permitir la termoquímica solar a menos de 2000 °C. ¿Qué temperatura requieren los reactivos actuales como la ceria?

 AS: Los requisitos de temperatura y presión del ciclo redox termoquímico para la división de H2O y CO2 dependen de las propiedades termodinámicas del material redox. Para ceria, el paso de reducción se realiza normalmente a 1500 °C, 0,01 bar, y el paso de oxidación a 1000 °C, 1 bar. El cambio de temperatura-presión entre los dos pasos redox determina la capacidad de intercambio de oxígeno de la ceria y, por lo tanto, el rendimiento de combustible por ciclo.

SK: En ese entonces, ¿la investigación que estaba haciendo en los laboratorios ETH en Suiza era solo? ¿Otros laboratorios estaban trabajando con combustibles solares?

AS: En 1995, no había muchos investigadores en el área de los combustibles termoquímicos solares. Según recuerdo, activos además de nosotros en PSI y ETH en ese momento estaban los grupos de investigación de Al Weimer en la U. de Colorado, Gilles Flamant en CNRS, Christian Sattler, Martin Roeb, Karl-Heinz Funken y Rainer Buck en DLR, Rich Diver en Sandia National Labs, Al Lewandowski en NREL, Manuel Romero y Julian Blanco en CIEMAT (que luego continuará en IMDEA Energy), West Stein en CSIRO, Keith Lovegrove en ANU, Yutaka Tamaura en el Instituto de Tecnología de Tokio y otros. Podría haber olvidado algunos grupos importantes para nombrar; esto fue hace 27 años!

SK: ¿Por qué la termoquímica solar ha tardado más en llegar a la etapa piloto que la CSP solo para electricidad?

AS: Los desarrollos tecnológicos tardaron más que la CSP debido a su complejidad. Nos llevó más de una década realizar nuestra minirrefinería solar que produce combustibles a partir de la luz solar y el aire: las tecnologías de combustible solar recién ahora se están ampliando e implementando a escala industrial.

SK: Entonces, ahora, su último artículo en Joule, “Una planta de combustible de torre solar para la producción termoquímica de queroseno a partir de H2O y CO2”, finalmente está recibiendo mucha cobertura de noticias. ¿Cuál es el avance particular?

AS: La planta de combustible de torre solar descrita en el artículo de Joule es una demostración pionera de toda la cadena de producción termoquímica, desde agua y CO2 hasta queroseno, en una configuración de torre solar. Fue el resultado de un esfuerzo conjunto de IMDEA Energía, DLR, Bauhaus, Hygear y ETH en el marco del proyecto de la UE Sun-to-Liquid. Creo que representa un hito importante en el camino hacia la producción industrial de combustibles de aviación sostenibles.

SK: Incluso las grandes investigaciones no siempre logran comercializarse. ¿Cree que el combustible de aviación “solar caliente” será diferente?

AS: Sí, las perspectivas ahora son favorables para una implementación industrial de esta tecnología de combustible solar en un futuro próximo.

SK: ¿Cuál es la importancia comercial de poder fabricar combustible solar para aviones?

AS: En el futuro previsible, el queroseno será indispensable como combustible para aviones en la aviación de larga distancia debido a su alta densidad de energía gravimétrica específica y su compatibilidad con la infraestructura mundial de combustible existente. Sin embargo, aproximadamente el 5% de las emisiones antropogénicas actuales que causan el cambio climático se atribuyen a la aviación mundial y se espera que esta cifra aumente. Estas emisiones se pueden evitar sustituyendo el queroseno de origen fósil por queroseno de origen solar. Por lo tanto, el queroseno solar puede ayudar a que la aviación sea más sostenible.

SK: ¿Existen ventajas en el uso de calor solar en lugar de electricidad? e-queroseno?

AS: Sí, efectivamente. El camino termoquímico ofrece un camino termodinámicamente favorable para la producción de combustible porque utiliza todo el espectro solar como fuente de calor de proceso de alta temperatura para efectuar la conversión termoquímica, y lo hace con altas velocidades de reacción y potencialmente altas eficiencias. Por otro lado, la síntesis de e-queroseno requiere la producción de un exceso sustancial de H2 por electrólisis del agua utilizando electricidad solar, que posteriormente se consume a través de la reacción endotérmica inversa de cambio de agua-gas (RWGS) para obtener gas de síntesis adecuado para el Fischer-Tropsch. paso. Por el contrario, el camino termoquímico pasa por alto la generación de electricidad solar, la electrólisis y los pasos RWGS, y produce directamente gas de síntesis solar de la composición deseada, por lo que tres pasos se reemplazan por uno. Por último, pero no menos importante, con la integración del almacenamiento de energía térmica, la planta de combustible termoquímico solar puede funcionar las 24 horas.

SK: ¿Este queroseno cumplirá con los requisitos oficiales de calidad del combustible de aviación y podría enviarse por camión cisterna directamente desde el campo solar al depósito de combustible de aviación?

AS: Sí, el queroseno solar es totalmente compatible con las infraestructuras existentes para el almacenamiento, distribución y uso final de combustible en motores a reacción, y se puede mezclar con queroseno de origen fósil.

SK: ¿Cuáles fueron los desafíos particulares que resolvió en este trabajo descrito en el último artículo?

AS: El diseño del reactor solar, la tecnología fundamental, fue el más desafiante. Evaluamos el rendimiento del reactor solar en función de cinco métricas principales: la selectividad de la reacción, la calidad del gas de síntesis, la pureza del combustible, la eficiencia energética y la estabilidad del material. Validamos experimentalmente su operación estable y plena integración en la planta de combustible de torre solar.

SK: ¿Cuáles son los desafíos restantes que deben resolverse?

AS: La eficiencia de conversión de energía solar a combustible aún debe aumentarse para que la tecnología sea económicamente competitiva. Para ello, estamos trabajando intensamente en la optimización de las estructuras porosas de ceria para una mejor absorción radiativa volumétrica y en la incorporación de la recuperación de calor entre los pasos redox. Además, las composiciones de materiales alternativos, por ejemplo, perovskitas o aluminatos, pueden producir una capacidad redox mejorada y, en consecuencia, una mayor producción específica de combustible por masa de material redox.

 SK: ¿Cómo sería una planta comercial típica?

AS: La planta de combustible de torre solar que se informa en el artículo de Joule se realizó con fines de investigación y es relativamente pequeña en comparación con una a escala comercial, pero integra todos los componentes necesarios. Una planta de combustible solar a escala comercial podría usar, por ejemplo, 10 campos de helióstatos, cada uno de los cuales recolecta 100 MW térmicos de energía de radiación solar, para producir alrededor de 34 millones de litros de queroseno al año. La huella terrestre estimada sería de 3,8 km2.

SK: ¿Y cuánta tierra se necesitaría para abastecer toda la demanda mundial?

AS: El consumo mundial de queroseno para la aviación en 2019 fue de 414 000 millones de litros; la huella terrestre total de todas las plantas solares necesarias para satisfacer plenamente la demanda mundial sería de unos 45.000 km2, equivalente al 0,5% de la superficie del desierto del Sahara.

SK: ¿Dónde imagina que el combustible solar para aviones se convertirá en una gran industria? ¿Hay muchas regiones que tienen el recurso solar y el espacio disponible para producir combustible solar para aviones?

AS: Sí, el queroseno solar se producirá en áreas con alta irradiación solar. Las ubicaciones adecuadas son regiones en las que la radiación solar normal directa anual es superior a 2000 kWh/m2 por año, como Australia, el sur de Europa, el norte de África, la Península Arábiga, el desierto de Gobi en China, el desierto de Atacama en Chile y el suroeste de los Estados Unidos.

 

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