【科普】水蒸气、二氧化碳和集中的阳光可以产生煤油？

IMDEA ENERGY

随着气候变化从危机走向紧急，航空业似乎将无法实现2050年的净零排放目标。在大流行病之前的五年里，美国四大航空公司 —— 美国航空公司、达美航空公司、西南航空公司和联合航空公司的喷气燃料使用量增加了15%。尽管发动机效率不断提高，但预计这一数字将继续上升。

然而，太阳能燃料带来了一线希望。苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的科学家和工程师首次报告了太阳能煤油综合燃料生产厂的成功示范。利用集中太阳能，他们能够从水蒸气中生产煤油，并直接从空气中生产二氧化碳。由此产生的燃料是化石燃料的替代品，可以与现有的储存和分配基础设施以及发动机一起使用。

由合成气（syngas)衍生的燃料 —— 是一氧化碳和氢气的特定混合物的中间产品，是传统化石衍生燃料的已知替代品。合成气由Fischer-Tropsch（FT）合成产生，在该合成过程中，化学反应将一氧化碳和水蒸气转化为碳氢化合物。ETH的研究团队发现，利用金属氧化物氧化还原循环，利用太阳能驱动的热化学方法分解水和二氧化碳，可以产生可再生的合成气。2019年，他们在ETH机器实验室的屋顶太阳能精炼厂演示了该过程。

ETH ZURICH

目前的试点规模的塔式太阳能电站是在西班牙IMDEA能源研究所建立的。该研究负责人、ETH工程教授Aldo Steinfeld说，它将2019年实验的太阳能反应堆放大了10倍。该燃料厂将三个子系统结合在一起：太阳能塔浓缩设施、太阳能反应堆和气液转换装置。

首先，由反射镜组成的定日镜场随太阳旋转，将太阳辐射集中到安装在塔顶的反应堆中。反应器是一个空腔接收器，内衬由氧化铈（cerium(IV) oxide）制成的网状多孔陶瓷结构。在反应器内，集中的阳光创造了约1500°C的高温环境，温度足以将捕获的二氧化碳和水从大气中分离出来，生成合成气。最后，合成气在气液装置中加工成煤油。集中控制室操作整个系统。

使用这种方法生产的燃料关闭了燃料碳循环，因为它只产生与其制造过程中所产生的二氧化碳一样多的二氧化碳。“目前的试点燃料厂仍然是一个用于研究目的的示范设施，”Steinfeld说，“但它是一个完全集成的工厂，使用的太阳能塔配置规模与工业实施相关。”

“太阳能反应器产生的合成气具有适合于FT合成的选择性、纯度和质量。”作者在论文中指出。他们还报告了多个连续循环的良好材料稳定性，并观察到太阳能与合成气的能源效率为4.1%，Steinfeld表示，这是热化学燃料生产的创纪录值，尽管需要更高的效率才能使该技术具有经济竞争力。

“能量转换效率的测量值是在没有实施任何热回收的情况下获得的，”Steinfeld说。反应器氧化还原循环中排出的热量占太阳能输入的50%以上。“这一部分可以通过温跃层储热进行部分回收。热力学分析表明，显热回收有可能将能源效率提高到20%以上。”

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为了做到这一点，需要做更多的工作来优化反应堆内衬的陶瓷结构，ETH团队正在积极研究这一问题，通过研究3D打印结构来提高体积辐射吸收。“此外，替代材料成分，即钙钛矿或铝酸盐，可提高氧化还原能力，从而提高每质量氧化还原材料的比燃料输出，” Steinfeld补充道。

他说，研究人员面临的下一个挑战是扩大他们的技术，以获得更高的太阳辐射功率输入，可能使用太阳能塔顶部的太阳能腔体接收器模块阵列。

为了将太阳能煤油引入市场，Steinfeld设想了一个基于配额的系统。他说：“航空公司和机场将被要求在其飞机上的喷气燃料总量中，至少要有可持续航空燃料的份额。”这看起来是有可能实现的，因为太阳能煤油可以与化石煤油混合。

与此同时，配额的增加将带来投资，降低成本，最终用太阳能煤油取代化石煤油。“当太阳能喷气燃料达到喷气燃料总量的10%至15%时，我们应该能够看到太阳能煤油的成本接近化石煤油，”他补充道。

据悉，这一切我们可能不必等待太长时间了。Steinfeld实验室的商业分支之一，Synhelion，正在致力于在2023年启用第一个工业规模的太阳能燃料工厂。该公司还与瑞士航空公司合作，单独使用其太阳能煤油进行飞行。