Sản xuất nhiên liệu từ CO2, nước và ánh sáng mặt trời

Xuất phát từ nhận thức rõ hơn về những thiệt hại do phát thải CO₂ gây nên, con người đã nỗ lực chuyển đổi sang các phương tiện chạy bằng điện, pin nhiên liệu, năng lượng hydro và các dạng năng lượng sạch, bền vững. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi những thay đổi lớn về cơ sở hạ tầng hiện tại, dẫn đến việc làm chậm lại quá trình triển khai.

Trong khi đó, các loại nhiên liệu tổng hợp có thể là giải pháp nhanh chóng hơn. Chúng được tạo ra bằng cách ‘bắt chước’ các nhiên liệu hydrocarbon lỏng hiện nay, nhưng được sản xuất từ nguồn tái tạo như sinh khối, phế phẩm hoặc carbon trong khí quyển. Và do có thể thay thế hoặc bổ sung cho nhiên liệu hóa thạch nên chúng có thể dùng được cho các loại động cơ và cơ sở hạ tầng sẵn có.

Trong nghiên cứu mới, nhóm chuyên gia tại ETH Zurich đã phát triển và thử nghiệm một hệ thống mới có thể sản xuất loại nhiên liệu như vậy chỉ với ánh sáng mặt trời và không khí. Nhiên liệu thu được mang tính trung hòa carbon, lượng CO₂ thải ra khi đốt cháy chỉ bằng với lượng CO₂ lấy từ không khí trong quá trình sản xuất ban đầu.

Hệ thống bao gồm ba bộ phận - thiết bị thu gom không khí, thiết bị oxy hóa khử chạy bằng năng lượng mặt trời, và thiết bị chuyển đổi khí - chất lỏng. Thiết bị đầu tiên hút không khí xung quanh rồi tách lấy CO₂ và nước nhờ quá trình hấp phụ. Sau đó, CO₂ và nước được bơm sang thiết bị thứ hai, nơi các phản ứng hóa học được kích hoạt bởi năng lượng mặt trời.

Một bộ tập trung làm ánh sáng mặt trời tụ lại trong lò phản ứng mặt trời, tạo ra mức nhiệt 1.500^oC. Bên trong lò phản ứng là một cấu trúc làm bằng cerium oxit, hấp thụ oxy từ CO₂ và nước, tạo ra hydro và CO – tức khí tổng hợp.

Khí tổng hợp có thể được thu gom để sử dụng hoặc đưa tới thiết bị thứ ba để chuyển thành nhiên liệu hydrocarbon lỏng như dầu kerosene hay methanol.

Để kiểm tra, nhóm nghiên cứu đã lắp đặt một hệ thống thử nghiệm nhỏ 5 kW trên mái của một tòa nhà. Chạy 7 tiếng một ngày dưới ánh sáng mặt trời gián đoạn, thiết bị có thể sản xuất ra 32 ml methanol mỗi ngày.

Lượng nhiên liệu này không nhiều, nhưng đủ chứng minh hệ thống có hiệu quả và có thể mở rộng quy mô sản xuất thương mại. Một nhà máy quy mô lớn có thể trông giống nhà máy điện mặt trời với những cánh đồng rộng lắp đặt hàng loạt bộ tập trung để tụ ánh nắng vào tháp trung tâm. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng một nhà máy với 10 cánh đồng như vậy, mỗi cánh đồng thu được 100 MW năng lượng bức xạ mặt trời, có thể sản xuất lên tới 95.000 lít dầu kerosene mỗi ngày. Lượng nhiên liệu này đủ cho một máy bay Airbus A350 bay từ London tới New York rồi quay trở lại.

Để đáp ứng toàn bộ nhu cầu dầu kerosene của ngành hàng không, nhóm nghiên cứu ước lượng cần nhà máy năng lượng mặt trời rộng khoảng 45.000 km². Tuy nhiên, chi phí xây dựng và lắp đặt ban đầu của nhà máy sẽ khiến nhiên liệu mới đắt hơn nhiên liệu hóa thạch và hạn chế sự phát triển mở rộng của chúng. Nghiên cứu mới đây đã được xuất bản trên tạp chí Nature.