Ko svetloba postane toplota

Jasno je, da zgolj prehod na obnovljive vire energije in sprememba življenjskih navad ne bosta zadostovala za izboljšanje stanja. Potrebujemo tudi tehnologije, s katerimi CO2 ujamemo in ga trajno shranimo ali pa ponovno uporabimo, na primer za proizvodnjo okolju prijaznejših goriv ali v kmetijstvu.

Različni porozni monolitni CO₂ sorbenti na osnovi silicijevega dioksida z dodanimi fototermično aktivnimi nanodelci železovega oksida.

Foto: Blaž Belec

Tehnologija z velikim potencialom, ki jo omejuje visoka poraba energije

Med najbolj obetavnimi pristopi je tehnologija zajemanja, uporabe in shranjevanja CO2 (angl. CCUS - Carbon Capture, Utilisation and Storage). Ta omogoča, da CO2 ujamemo neposredno iz dimnih plinov ali celo iz zraka. Tehnologijo poznamo že desetletja, vendar njeno širšo uporabo omejuje predvsem visoka poraba električne energije.

Postopek zajema CO2 poteka v dveh korakih. Najprej CO2 vežemo na material, imenovan sorbent, nato pa ga moramo sprostiti, da ga lahko shranimo ali ponovno uporabimo. Prav ta korak, regeneracija, je energijsko najbolj potraten del celotnega procesa in predstavlja ozko grlo tehnologije, zaradi česar ta še ni širše uporabljena.

Danes za regeneracijo najpogosteje uporabljamo metodo temperaturnega nihanja (angl. temperature swing method), pri kateri segrevamo celoten reaktor nad 100 °C. Če že ogrevanje stanovanja pomeni velik strošek, si lahko samo predstavljamo, koliko energije zahteva ogrevanje takšnih industrijskih reaktorjev in kakšni stroški pri tem nastanejo.

Lokalno segrevanje s svetlobo kot pot do energijsko učinkovitejše tehnologije

Ena od strategij za zmanjšanje porabe energije pri regeneraciji sorbentov je, da toploto ustvarimo zgolj tam, kjer je dejansko potrebna, torej neposredno v sorbentu. To je mogoče doseči na primer s pomočjo električnega toka ali magnetnega polja. V Laboratoriju za raziskave materialov na Univerzi v Novi Gorici pa raziskujemo še tretjo možnost: svetlobo kot vir toplotne energije. Nekateri materiali lahko svetlobno energijo učinkovito pretvorijo v toploto. Ta pojav imenujemo fototermični učinek.

Uporaba svetlobe za segrevanje materialov ni nič novega. V medicini se ta pojav uporablja pri zdravljenju tumorjev ali ciljni dostavi zdravil, v vsakdanjem življenju pa na primer pri segrevanju vode s pomočjo sončnih kolektorjev. Na področju zajemanja CO2 je ta pristop še razmeroma nov. Redke raziskave večinoma temeljijo na uporabi sončne svetlobe, saj je trajnostna in brezplačna.

Vendar je dostopnost sončne svetlobe odvisna od vremena, dela dneva in letnega časa. Poleg tega je sestavljena iz zelo širokega spektra valovnih dolžin. To si lahko predstavljamo kot mavrico barv, pri čemer vsaka barva predstavlja drugo valovno dolžino svetlobe. Materiali, ki svetlobo pretvarjajo v toploto, pa običajno učinkovito absorbirajo le ozek del tega spektra, zato velik del sončne energije ostane neizkoriščen.

Eksperimentalna postavitev, ki smo jo zasnovali in sestavili v Laboratoriju za raziskave materialov na Univerzi v Novi Gorici omogoča osvetljevanje monolita z ozkopasovnim virom svetlobe ter hkratno sledenje sproščanja CO₂.

Foto: Blaž Belec

Za učinkovitejšo pretvorbo svetlobe v toploto so zato primernejši ozkopasovni viri svetlobe, kot so laserji ali LED-svetila, ki oddajajo svetlobo zelo natančno določene valovne dolžine. V Laboratoriju za raziskave materialov na Univerzi v Novi Gorici smo šli še korak dlje. Sorbentov ne osvetljujemo zgolj s svetlobnim virom z naključno izbrano valovno dolžino, temveč izberemo takšnega, katerega valovna dolžina sovpada z njegovim absorpcijskim vrhom, torej tam, kjer sorbent absorbira največ energije. Tako se skoraj vsa dovedena energija pretvori v toploto.

Pri razvoju energijsko učinkovitejše regeneracije CO2-sorbentov s pomočjo fototermičnega učinka ni odločilna le izbira ustrezne svetlobe, temveč tudi sam material. Danes na področju zajemanja CO2 prevladujejo tekočinski aminski sorbenti, ki sicer zelo učinkovito vežejo CO2, vendar so temperaturno neobstojni. Pri ponavljajočih se ciklih segrevanja in ohlajanja se dokaj hitro začnejo razgrajevati in pri tem lahko tvorijo neželene stranske produkte, kot je amonijak.

Poleg tega se tekočine segrevajo in ohlajajo razmeroma počasi, kar podaljšuje proces in povečuje porabo energije. Vse to pa povečuje stroške tehnologije.

Zato vzporedno z razvojem metode razvijamo porozne monolitne trdne sorbente na osnovi silicijevega dioksida, v katere vgradimo fototermično aktivne delce, kot sta aktivno oglje ali magnetni železov oksid. Takšni materiali so temperaturno obstojni, za segrevanje potrebujejo manj energije, poleg tega pa se tudi hitreje ohladijo. To omogoča hitrejši, zanesljivejši in energijsko učinkovitejši cikel regeneracije.

Naši dosedanji rezultati so zelo vzpodbudni. Pokazali smo, da je fototermično spodbujeno segrevanje izrazito lokalno. Pretvorba svetlobe v toploto v trdnih sorbentih pa je pri enaki moči svetlobe bistveno učinkovitejša, kadar valovna dolžina sovpada z absorpcijskim vrhom materiala. Pod takšnimi pogoji lahko sorbent v nekaj sekundah segrejemo nad 100 °C, pri tem pa porabimo energijo, primerljivo tisti, ki jo 10 W LED-žarnica porabi v desetinki sekunde.

V primerjavi s klasičnim postopkom regeneracije sorbentov, pri katerem segrevamo celoten reaktor, lahko z našim fototermičnim pristopom zmanjšamo porabo energije tega procesa za 70 do 90 %.

Optimizacija procesa ni odvisna le od izbire svetlobe, temveč tudi od strukture sorbenta

Pomembno spoznanje je tudi, da sama izbira svetlobe še ne zagotavlja energijsko optimalnega regeneracijskega procesa. Ključni so količina in porazdelitev fototermičnih delcev v trdnem sorbentu, njegova prosojnost, moč svetlobe ter to, kako globoko svetloba prodre v material. Vsi ti dejavniki določajo, kako hitro in kako enakomerno se sorbent segreje ter omogoči učinkovito regeneracijo.

Pri optimizaciji postopka tako sodelujemo tudi z drugimi raziskovalnimi inštitucijami v Sloveniji. Na Institutu “Jožef Stefan” z modeliranjem preučujejo, kako se svetloba in toplota širita po materialu, na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru pa razvijajo nove trdne fototermične sorbente. Z združevanjem eksperimentalnih in teoretičnih pristopov želimo proces fototermično izzvane regeneracije trdnih sorbentov bolje razumeti ter ga na podlagi pridobljenih spoznanj v prihodnje čim bolj energijsko optimizirati. •