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(shí)提取的二氧化碳量一樣多。
而且，這個(gè)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(jí)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(jí)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(shí)的工作時(shí)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(gè)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(píng)估了將這種合成燃料推向市場(chǎng)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(jiǎn)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(gè)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(gè)循環(huán)可產(chǎn)生約 8 kg 的二氧化碳，測(cè)得純度為 98%（其余為空氣）和 20-40 kg 的水（取決于空氣相對(duì)濕度），污染物低于 0.2 ppm 的檢測(cè)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(chǔ)存在 750 升鋼緩沖罐中，水分子則從解吸流中冷凝并儲(chǔ)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(dòng)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?dòng)力學(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(huì)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(gè)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(dòng)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(shí)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(cè)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(cè)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(shí)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(duì)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缌蚧衔铩⒅亟饘俚龋?。此外，基于?shí)驗(yàn)中合成染料的噴氣燃料的燃燒測(cè)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(gè)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(chǎng)需要大量的工藝優(yōu)化和升級(jí)，這需要得到政策的支持以實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的市場(chǎng)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(chǎng)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(gè)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(gè)定日鏡場(chǎng)，每個(gè)定日鏡場(chǎng)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(chǎng)的這種方式是可行的，但其動(dòng)態(tài)特性仍需在現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(píng)估表明，相對(duì)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(shí)間的推移，政策和技術(shù)框架大概要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：初始研發(fā)和技術(shù)演示、市場(chǎng)創(chuàng)建和系統(tǒng)開發(fā)以及形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(chǔ)、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€(gè)重要里程碑，在適當(dāng)?shù)恼咧С窒?，有望啟?dòng)航空部門長(zhǎng)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(hào) “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：庫珀，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
