這是一張“神奇”的太陽能燃料系統(tǒng)的照片，該裝置放置于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器實(shí)驗(yàn)室大樓樓頂。據(jù)介紹，這種裝置制造的燃料是碳中性的，因?yàn)樗鼈內(nèi)紵尫诺亩趸寂c制作時提取的二氧化碳量一樣多。
而且，這個系統(tǒng)可以利用陽光和空氣直接生產(chǎn)出液態(tài)烴或甲醇燃料，也就是所謂的“空氣燃料”。
甚至，研究人員認(rèn)為，該系統(tǒng)所需的升級方案有望滿足全球范圍內(nèi)的航空煤油消耗量（2019 年為 4140 億升）。 空氣燃料？未來是不是可以“秒殺”新能源電池？聽上去確實(shí)有點(diǎn)不可思議。
如今，來自蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)（ETH）的科研團(tuán)隊(duì)就成功地驗(yàn)證了太陽能空氣燃料生產(chǎn)流程的技術(shù)可行性，論文日前發(fā)表在頂級科學(xué)期刊 Nature 上。據(jù)論文描述，當(dāng)前的系統(tǒng)能在日常條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，在一天 7 小時的工作時間內(nèi)產(chǎn)生 32 毫升的甲醇。
（來源：Nature）
眾所周知，陽光和空氣是地球上唾手可得的自然資源，隨著生產(chǎn)流程的優(yōu)化和改進(jìn)，這項(xiàng)研究成果有望為生產(chǎn)碳中和的碳?xì)淙剂箱伷降缆贰?/p>
如今，在全球推進(jìn)“碳中和”的背景下，許多國家都在開啟一場經(jīng)濟(jì)社會全方位的綠色低碳轉(zhuǎn)型，例如推進(jìn)使用低碳能源取代化石燃料，或者倡導(dǎo)低碳出行。
在交通領(lǐng)域，航空航運(yùn)目前約占人為二氧化碳排放總量的 8%，全球旅游業(yè)和貿(mào)易量的增長預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增加這一指標(biāo)。在現(xiàn)實(shí)生活中，碳中和的交通運(yùn)輸是可行的，例如近年來開始普及的由電池供能的新能源汽車，但挑戰(zhàn)在于，電量焦慮往往難以很好滿足長途商業(yè)旅行需求，特別是在航空旅行中。
近年來，通過太陽能驅(qū)動的過程從水和二氧化碳中提取燃料（石油衍生液體碳?xì)浠衔锶剂系暮铣商娲罚┍灰暈槭呛苡邢Ｍ囊环N解決方案。
科學(xué)家們嘗試了許多可能的方法，其中，使用濃縮太陽輻射作為高溫過程熱源的熱化學(xué)路徑潛在具有高生產(chǎn)率和有效性。進(jìn)一步而言，如果實(shí)驗(yàn)所需的二氧化碳能直接從大氣中獲得，則可以提供真正意義上的碳中和燃料，如果水分子也能從空氣中共同提取，那么原料來源和燃料生產(chǎn)可以集中在陽光照射強(qiáng)烈、水資源有限的沙漠地區(qū)進(jìn)行。
針對這一設(shè)想，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)演示了整個熱化學(xué)太陽能空氣燃料生產(chǎn)鏈的運(yùn)行，完成了直接從環(huán)境空氣中捕獲水分子和二氧化碳到運(yùn)輸燃料（如甲醇）的合成，并評估了將這種合成燃料推向市場所需的經(jīng)濟(jì)可行性和政策。
圖｜太陽能空氣燃料系統(tǒng)的簡化工藝鏈（來源：Nature）
從實(shí)驗(yàn)裝置來看，他們開發(fā)的太陽能空氣燃料系統(tǒng)包含三個基本單元：
1、直接空氣捕捉（DAC）裝置，直接從環(huán)境空氣中共同提取二氧化碳和水分子；
2、太陽能氧化還原裝置，將二氧化碳和水分子轉(zhuǎn)化為所需的一氧化碳和氫氣混合物（合成氣）；
3、將合成氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴或甲醇的氣-液（GTL）裝置。
ETH 附屬的一家公司專門從事二氧化碳空氣捕獲技術(shù)，名為 Climeworks AG，該公司的技術(shù)可通過吸附-脫附過程直接從環(huán)境空氣中過濾出二氧化碳，為這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)設(shè)備。吸附在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行，每次循環(huán) 180 分鐘，解吸在 95 °C 和 0.1-0.3bar 下進(jìn)行，每次循環(huán) 43 分鐘。該裝置可處理 2000 立方米/hr的氣流，每天 5.5 個循環(huán)可產(chǎn)生約 8 kg 的二氧化碳，測得純度為 98%（其余為空氣）和 20-40 kg 的水（取決于空氣相對濕度），污染物低于 0.2 ppm 的檢測限值。
在吸附步驟中，廢氣離開裝置，捕獲了約 40-70% 的初始二氧化碳含量。解吸步驟中，從 DAC 裝置排出的捕獲二氧化碳流在環(huán)境壓力下收集到氣球式緩沖罐中，隨后壓縮至最大 12 bar，并儲存在 750 升鋼緩沖罐中，水分子則從解吸流中冷凝并儲存在塑料緩沖罐中。根據(jù)需要，二氧化碳和水分子均從緩沖罐輸送至太陽能氧化還原裝置。
具體而言，太陽能氧化還原裝置通過集中太陽輻射，驅(qū)動還原-氧化（氧化還原）循環(huán)，通過二氧化碳和水分子的熱化學(xué)分解產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。研究人員使用非化學(xué)計(jì)量氧化鈰作為氧化還原材料，因?yàn)樗哂锌焖賱恿W(xué)、晶體穩(wěn)定性和豐度。至于可替代的氧化還原材料，如鈣鈦礦和鐵尖晶石等，可能會表現(xiàn)出優(yōu)異的氧化還原性能，但尚未證明其穩(wěn)定性。
太陽能氧化還原裝置中心的循環(huán)包括兩個步驟：在第一吸熱步驟中，二氧化鈰熱還原生成氧氣，在第二放熱步驟中，還原的氧化鈰用二氧化碳/水分子重新氧化，分別生成一氧化碳或氫氣。燃料（氫氣、一氧化碳）和氧氣分別在單獨(dú)步驟中生成，從而避免形成爆炸性混合物，無需高溫氣體分離，研究人員采用溫度和壓力波動來最大化氧化鈰的氧交換能力，從而提高每循環(huán)的燃料產(chǎn)量。
在一天 7 小時的正常環(huán)境下運(yùn)行，研究人員通過連續(xù)的氧化還原循環(huán)，共獲得 96.2 升（標(biāo)準(zhǔn)升，包括所有物種：59.5% 氫氣、4.6% 一氧化碳、17.5% 二氧化碳和氬）的合成氣，合成氣的日質(zhì)量比產(chǎn)率為 12.81 L/kg 氧化鈰。二氧化碳與一氧化碳的累積摩爾轉(zhuǎn)化率為 15.1%，二氧化碳裂解的峰值為 65%。
圖｜太陽能氧化還原裝置的日運(yùn)行數(shù)據(jù)（來源：Nature）
在這一天的運(yùn)行中，目標(biāo)合成氣質(zhì)量適合甲醇合成，該太陽能合成氣可在 GTL 裝置中進(jìn)一步加工成甲醇，這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)工藝，GTL 裝置測得的單程摩爾轉(zhuǎn)化率為 27%，產(chǎn)生純度為 65% 的甲醇，其余為水（低于檢測限的污染物，例如乙醇和丁醇<1 ppm，丙醇<10 ppm）
剩余的未轉(zhuǎn)化合成氣循環(huán)多次通過 GTL 裝置，然而，由于氬氣濃度隨著每一道次的增加而增加，循環(huán)的合成氣在連續(xù) 6 次循環(huán)后被丟棄，最終總摩爾轉(zhuǎn)化率為 85%，一天 7 小時運(yùn)行，產(chǎn)生的純甲醇量為 32 毫升。
在任何一種情況下，合成氣純度和質(zhì)量都適用于 GTL 處理，并且可以針對甲醇或其他合成燃料進(jìn)行定制，而不需要額外的步驟來校正成分和分離不需要的副產(chǎn)物。從石油中提取的碳?xì)浠衔锞桶芏嗫諝馕廴疚铮ɡ缌蚧衔?、重金屬等）。此外，基于?shí)驗(yàn)中合成染料的噴氣燃料的燃燒測試表明，與基于化石的噴氣燃料相比，有害物質(zhì)排放顯著減少。
研究人員在論文中表示，在間歇太陽照射下，整個系統(tǒng)穩(wěn)定、成功地在室外運(yùn)行，令人信服地證明了熱化學(xué)工藝鏈將陽光和環(huán)境空氣轉(zhuǎn)化為燃料的技術(shù)可行性。但將此類燃料技術(shù)推向市場需要大量的工藝優(yōu)化和升級，這需要得到政策的支持以實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的市場引入。
從產(chǎn)業(yè)化層面來講，可以使用大量聚焦在太陽能塔上的太陽碟或定日鏡場放大并將直接正常太陽輻射（DNI）濃縮到所需的太陽通量濃度（C>2000 個太陽），例如，商業(yè)規(guī)模的太陽能燃料發(fā)電廠可以使用 10 個定日鏡場，每個定日鏡場收集 100 兆瓦的太陽輻射功率，理論上每天約能生產(chǎn) 95000 升燃料（假設(shè)總體系統(tǒng)效率 η 系為 10%），足以為一架載有 325 名乘客的空中客車 A350 提供倫敦-紐約往返航班的燃料。
在當(dāng)下成熟的產(chǎn)業(yè)硬件/軟件控制下，定日鏡場的這種方式是可行的，但其動態(tài)特性仍需在現(xiàn)場得到驗(yàn)證。
使用當(dāng)前太陽能燃料系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)，大約只需 4500 平方米，就能用于捕獲工藝所需的約 100000 噸二氧化碳/年，所覆蓋的土地面積不到總土地足跡的 1%。
假設(shè) η 系=10%，這樣一個太陽能燃料廠每年將產(chǎn)生約 3400萬 升燃料，進(jìn)一步而言，2019 年全球航空煤油消耗量為 4140 億升，完全滿足全球航空燃料所需的所有太陽能發(fā)電廠的總占地面積約為 45000 平方公里，相當(dāng)于撒哈拉沙漠面積的 0.5%。
圖｜飛機(jī)排放的“尾氣”（來源：pixabay）
值得關(guān)注的是，在本次實(shí)驗(yàn)演示中，研究人員并沒有嘗試優(yōu)化機(jī)組以獲得最大成效，整套系統(tǒng)還擁有較大改進(jìn)潛力，與受資源供應(yīng)限制的生物燃料不同，如果全球航空燃料需求可以通過利用全球不到 1% 的干旱土地來滿足，前景堪稱充滿想象力，且太陽能空氣燃料生產(chǎn)鏈的生命周期評估表明，相對于傳統(tǒng)化石噴氣燃料，80% 的溫室氣體排放得以避免。
鑒于太陽能熱化學(xué)燃料的初始投資成本較高，因此需要政策支持，以實(shí)現(xiàn)廣泛部署，并通過規(guī)模效應(yīng)和工藝優(yōu)化，大規(guī)模生產(chǎn)關(guān)鍵部件和持續(xù)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)合成燃料成本降低。
研究人員暢想，隨著時間的推移，政策和技術(shù)框架大概要經(jīng)歷以下幾個階段：初始研發(fā)和技術(shù)演示、市場創(chuàng)建和系統(tǒng)開發(fā)以及形成市場競爭力，這將開啟太陽能空氣燃料曲線發(fā)展進(jìn)程。
粗略計(jì)算之下，即使初期建造的前十座太陽能空氣燃料發(fā)電廠的初始成本超過每公升燃料 10 美元（相比之下，等量傳統(tǒng)石化燃料的生產(chǎn)成本不到 1 美元），供應(yīng) 0.1% 的市場份額就能夠部署早期生產(chǎn)設(shè)施，重要的是，太陽能空氣燃料可利用現(xiàn)有的存儲、分配和利用基礎(chǔ)設(shè)施，不需要生產(chǎn)鏈以外的新技術(shù)開發(fā)。
研究人員表示，利用陽光和空氣生產(chǎn)碳中和的碳?xì)淙剂鲜且粋€重要里程碑，在適當(dāng)?shù)恼咧С窒?，有望啟動航空部門長期脫碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
參考資料： https://www.nature.com/articles/s41586-021-04174-y
本文來自微信公眾號 “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：庫珀，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
