作者 ｜ 卜葉
“世界公園”瑞士，目之所及都是一幅天然畫卷。
現在，當地科學家又發現了自然資源的另一用途。
近日，《自然》發表論文稱，瑞士工程科學院院士、蘇黎世聯邦理工學院教授Aldo Steinfeld等人利用陽光和空氣生產出液態燃料，並設想用於航空部門。
Steinfeld認為，太陽能的潛力是巨大的，僅1%到達地球乾旱地區的太陽輻射就足以滿足全球能源消耗。科學家和工程師有責任開發節能且具有成本效益的技術，將太陽能轉化為有用的形式，即熱能、電力和燃料。
不過，水和二氧化碳的能級比較低，狀態比較穩定，重新變成燃料必然要付出巨大的能量代價。
在接受《中國科學報》採訪時，中國科學院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）研究員郝勇指出，“在大規模意義上，如何以最小的能量代價把水和二氧化碳重新變成碳氫燃料，是一個巨大挑戰。”
造一套“無中生有”的能源裝置
當前，伴隨技術不斷進步，光伏發電成本大幅度降低；聚光太陽能熱發電技術也進入了小規模的商業化使用階段。
太陽能向燃料的轉化利用逐漸展現出巨大的應用潛力。
太陽能向燃料的轉化主要有兩種形式：一種是直接利用光催化劑，在光照下分解水產生氫氣，目前這種形式的太陽能到氫能的能量轉化效率不到2%；另一種是先將太陽能轉化為熱或電，再耦合其他技術製造燃料。
中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李燦團隊研發的“液態陽光”技術就是探索之一。
該技術透過光伏捕獲太陽能，後續結合電解水制氫、二氧化碳加氫制甲醇技術，從而將太陽能以液態燃料甲醇形式儲存並利用。
2020年，千噸級“液態陽光”示範專案在甘肅蘭州成功執行。
李燦團隊成員、大連化物所副研究員李軍介紹，“液態陽光”技術使太陽能到液體燃料甲醇能量轉化效率大於14%，其中，光伏發電可用光熱發電替代，另一方面也可直接利用太陽能光熱效應將水和二氧化碳轉化為太陽燃料。
目前，該團隊已經利用太陽熱化學迴圈實現水分解制氫、二氧化碳和甲烷乾重整制合成氣過程。
無獨有偶，此次Steinfeld團隊用光熱技術實現了水和二氧化碳到甲醇等液態燃料的過程，並設計出一套整合裝置。
該裝置由3部分構成：第一是能夠直接從空氣中提取二氧化碳和水的捕獲裝置；第二是能利用太陽能將水和二氧化碳轉換為合成氣的太陽氧化還原裝置；第三是能將合成氣轉換為液態烴或甲醇的氣轉液裝置。
在陽光照射下，這套裝置正在蘇黎世聯邦理工學院運轉，於無形中生產著液態燃料。
“整合裝置設計是此次研究的亮點之一，儘管規模較小，但讓人們更加直接地意識到水和二氧化碳變成燃料的可實施性。”李軍說。
近乎“完美”的能源方案
Steinfeld深耕太陽能熱化學合成燃料領域多年，是該領域的主要開創者之一。
2017年，在中國科學院國際合作專案的支援下，Steinfeld對工程熱物理所進行學術訪問。
此後，郝勇還參觀了此次《自然》展示的全鏈條太陽能液體燃料合成裝置。
為什麼將太陽能轉變成燃料，而不是電能？郝勇解釋，儘管發電仍是太陽能的主要利用方式，但其產生的電能的儲存是一大挑戰，全世界範圍內皆如此。
用電池儲能，在家用等小規模場景是可行的，但在整個能源結構中大規模、大範圍使用電池，還不現實。
“如果把太陽能變成跟目前使用的化石能源非常像的液體燃料，那麼完全可以利用現有的能源基礎設施直接對接未來的可再生能源結構，而不需要做大的改動，總代價將大幅減小，能源轉型過程有望明顯加速，意義將是巨大的。”郝勇說。
他進一步解釋，把太陽能變成液體燃料，不僅意味著現有輸油、輸氣管線和儲罐，火車，油輪等能源設施可以繼續使用，而且甲醇等液態燃料比較穩定，可以長時間儲存，同時解決了太陽能大規模儲存的問題。
此外，儘管全球範圍內光伏發電的規模遠大於光熱技術，但實際上，透過匯聚太陽能產生高溫制氫的燃料成本可能有更大的下降空間。
郝勇解釋，太陽能光熱技術把所有太陽光無差別地轉換成熱能，而光伏技術只能把其中一部分轉換為電能；光熱技術中所有太陽能都可以用來制燃料，而光伏技術中只有轉變為電的那部分太陽能可以用來制燃料。
產業化應用尚需時日
示範裝置與工業化之間總是有一定的距離，還要克服諸多挑戰。太陽能到燃料的能量轉化效率便是最大的挑戰。
目前，在日常條件下，這套裝置在一天7小時的工作時間內可以產生32毫升的甲醇，儘管轉化效率不高，但也代表著該技術的世界最高水平。
相比之下，商業化的光伏耦合電解水制氫能夠達到16%以上的效率。
也就是說，從效率上看，太陽能熱化學制燃料效率明顯偏低，需要大幅提升才能達到跟光伏電解相當的水平。
同時，光熱技術的反應溫度較高，這將給整套裝置的成本和壽命帶來考驗。“需要開發更好的材料和能量轉化策略降低溫度。”郝勇說。
多位專家表示，近年來，光伏發電發展迅猛，人們大有將太陽能技術等同於光伏技術的趨勢。
光熱技術想普及應用，就需要取得公眾和社會的認可。
這既需要研發人員的不懈努力和不斷突破，也需要加大科普宣傳力度。
接下來，在先進材料和太陽能反應系統工程方面，太陽能光熱技術還需要進一步研發。
Steinfeld表示，材料在將太陽能轉化為具有高選擇性、穩定性和速率的燃料方面發揮著關鍵作用。
特別是新型金屬氧化物，例如摻雜二氧化鈰和鈣鈦礦，可以顯著提高熱化學迴圈分解水和二氧化碳的氧化還原效能。
“人類正在從化石能源時代加速跨入可再生能源時代，向天空要能源，非常符合我國實現碳達峰、碳中和的重大需求，是一項非常有前景的可持續能源技術。”郝勇評價道。
相關論文資訊：
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04174-y
《中國科學報》 (2021-12-06 第3版 能源化工 原標題為《能工有巧思 燃料天上來》)
