Letecká a lodní doprava v současnosti přispívají k celkovým antropogenním emisím CO2 přibližně osmi procenty a aktuální opětovný růst cestovního ruchu, výroby a obchodu tento příspěvek pravděpodobně ještě zvýší. Vedle elektrických pohonů se jako prostředek schopný tento růst zbrzdit poměrně slibně jeví pohonné hmoty typu drop-in (syntetická alternativa kapalných uhlovodíkových paliv z ropy, jako je letecký petrolej, benzín nebo nafta) vyráběné z vody a CO2 za pomoci sluneční energie.
Švýcarským vědcům z vysoké školy ETH Zürich se nyní podařilo vytvořit celý termochemický výrobní řetězec, od zachytávání vody a CO2 z okolního vzduchu až po finální syntézu drop-in pohonných hmot (např. metanol nebo letecký petrolej). Použili k tomu modulární solární systém o výkonu 5 kW, který po dva roky provozovali na střeše strojní laboratoře v centru Curychu ve zcela reálných podmínkách, tedy při velmi proměnlivém slunečním svitu. Nyní výsledky své práce představili v prestižním vědeckém časopise Nature.
K přednostem tohoto termochemického procesu, který využívá jako zdroj procesního tepla koncentrované sluneční záření, patří rychlost a účinnost výroby, jejímž finálním produktem jsou uhlíkově neutrální paliva. Paliva typu drop-in jsou plně navíc plně kompatibilní se stávající infrastrukturou pro skladování a distribuci pohonných hmot.
Účinnost zatím slabinou
Malá solární rafinerie, kterou vybudovali švýcarští odborníci, se skládá ze tří termochemických konverzních jednotek integrovaných v sérii. První v řadě je jednotka pro přímé zachycování vzduchu, která nasává CO2 a vodu přímo z okolního vzduchu. Druhá je solární redoxní jednotka, která tyto látky přeměňuje na specifickou směs CO a H2, takzvaný syngas. Třetí je jednotka přeměňující syntézní plyn na kapalné uhlovodíky.
Slabou stránkou stávajícího zařízení je, že jeho energetická účinnost je stále příliš nízká. Nejvyšší míra účinnosti, které se dosud solárnímu reaktoru podařilo dosáhnout, je totiž pouhých 5,6 procenta. Ačkoli je tato hodnota světovým rekordem v kategorii solárního termochemického štěpení, rozhodně není dostačující. Výzkumníci proto slibují podstatnou optimalizaci celého procesu. Naopak důležitým úspěchem jejich práce je, že při štěpení na vodu a CO2 nevznikají žádné nežádoucí vedlejší produkty termochemických reakcí.
Jak tedy systém dále zlepšit, aby se zvýšila jeho účinnost? Zásadní je podle Švýcarů rekuperace tepla mezi redoxními kroky termochemického cyklu, protože tím se může zvýšit účinnost solárního reaktoru na více než 20 procent. Dále je zde prostor pro optimalizaci struktury redoxního materiálu, například pomocí 3D tisku vyrobených hierarchicky uspořádaných struktur pro zlepšení přenosu tepla a hmoty. Výzkumníci nyní vynakládají velké úsilí oběma těmito směry.
Nasazení této technologie v průmyslovém měřítku se v tuto chvíli již zdá být vcelku reálné. Tzv. heliostat je totiž možné podle potřeby snadno zvětšit. Současná solární minirafinerie používá solární reaktor o výkonu 5 kW, ale testován již byl i reaktor desetkrát větší. Pro modul o výkonu 1 MW by však bylo třeba sestrojit reaktor zhruba dvacetkrát větší, než je ten stávající. U solární věže, která bude použitelná pro komerční účely, se počítá s více moduly solárních reaktorů, přičemž se předpokládá i využití infrastruktury již existujících komerčních solárních elektráren.
Malý kousek pouště
Solární reaktor potřebuje mnoho přímého slunečního světla a minimum bezeslunných dnů. Má proto smysl je stavět především v lokalitách, jako je jižní Španělsko a severní Afrika, země Arabského poloostrova, Austrálie, jihozápad USA nebo pouště Číny a Chile. Obecněji řečeno: v regionech, kde je množství ročního přímého slunečního záření vyšší než 2 000 kWh/m2. Výrobní řetězec sice potřebuje hned na počátku kondenzovat vodu z okolního vzduchu, ale i pouštní vzduch je dostatečně vlhký, aby jí dodal potřebné množství. Pouštní země je navíc relativně levná, protože mnoho jiných využití nemá. Konkurenční střet s potravinovou produkcí zde tedy určitě nehrozí.
Podle Švýcarů by tak šlo budoucí celosvětovou poptávku po leteckých pohonných hmotách uspokojit využitím méně než jednoho procenta vyprahlé půdy na Zemi. „Abychom to uvedli do kontextu, v roce 2019 byla celosvětová spotřeba leteckého petroleje 414 miliard litrů; celková zastavěná plocha všemi solárními elektrárnami potřebnými k plnému uspokojení celosvětové poptávky po leteckém petroleji by byla asi 45 000 km2, což odpovídá 0,5 procenta rozlohy saharské pouště,“ uzavírá Aldo Steinfeld .
