近日，《自然》發(fā)表論文稱，瑞士工程科學(xué)院院士、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Aldo Steinfeld等人利用陽光和空氣生產(chǎn)出液態(tài)燃料，并設(shè)想用于航空部門。

Steinfeld認(rèn)為，太陽能的潛力是巨大的，僅1%到達(dá)地球干旱地區(qū)的太陽輻射就足以滿足全球能源消耗?？茖W(xué)家和工程師有責(zé)任開發(fā)節(jié)能且具有成本效益的技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)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(tài)比較穩(wěn)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(xué)報》采訪時，中國科學(xué)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(guī)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?xì)淙剂?，是一個巨大挑戰(zhàn)?！?/p>

造一套“無中生有”的能源裝置

當(dāng)前，伴隨技術(shù)不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電成本大幅度降低；聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)也進(jìn)入了小規(guī)模的商業(yè)化使用階段。

太陽能向燃料的轉(zhuǎn)化利用逐漸展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

太陽能向燃料的轉(zhuǎn)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(chǎn)生氫氣，目前這種形式的太陽能到氫能的能量轉(zhuǎn)化效率不到2%；另一種是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱或電，再耦合其他技術(shù)制造燃料。

太陽能燃料系統(tǒng)工作原理圖

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李燦團(tuán)隊研發(fā)的“液態(tài)陽光”技術(shù)就是探索之一。

該技術(shù)通過光伏捕獲太陽能，后續(xù)結(jié)合電解水制氫、二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)，從而將太陽能以液態(tài)燃料甲醇形式儲存并利用。

2020年，千噸級“液態(tài)陽光”示范項目在甘肅蘭州成功運行。

李燦團(tuán)隊成員、大連化物所副研究員李軍介紹，“液態(tài)陽光”技術(shù)使太陽能到液體燃料甲醇能量轉(zhuǎn)化效率大于14%，其中，光伏發(fā)電可用光熱發(fā)電替代，另一方面也可直接利用太陽能光熱效應(yīng)將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為太陽燃料。

目前，該團(tuán)隊已經(jīng)利用太陽熱化學(xué)循環(huán)實現(xiàn)水分解制氫、二氧化碳和甲烷干重整制合成氣過程。

無獨有偶，此次Steinfeld團(tuán)隊用光熱技術(shù)實現(xiàn)了水和二氧化碳到甲醇等液態(tài)燃料的過程，并設(shè)計出一套集成裝置。

該裝置由3部分構(gòu)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(zhuǎn)換為合成氣的太陽氧化還原裝置；第三是能將合成氣轉(zhuǎn)換為液態(tài)烴或甲醇的氣轉(zhuǎn)液裝置。

在陽光照射下，這套裝置正在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院運轉(zhuǎn)，于無形中生產(chǎn)著液態(tài)燃料。

“集成裝置設(shè)計是此次研究的亮點之一，盡管規(guī)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(xué)合成燃料領(lǐng)域多年，是該領(lǐng)域的主要開創(chuàng)者之一。

2017年，在中國科學(xué)院國際合作項目的支持下，Steinfeld對工程熱物理所進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問。

此后，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。

為什么將太陽能轉(zhuǎn)變成燃料，而不是電能？郝勇解釋，盡管發(fā)電仍是太陽能的主要利用方式，但其產(chǎn)生的電能的儲存是一大挑戰(zhàn)，全世界范圍內(nèi)皆如此。

用電池儲能，在家用等小規(guī)模場景是可行的，但在整個能源結(jié)構(gòu)中大規(guī)模、大范圍使用電池，還不現(xiàn)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，那么完全可以利用現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施直接對接未來的可再生能源結(jié)構(gòu)，而不需要做大的改動，總代價將大幅減小，能源轉(zhuǎn)型過程有望明顯加速，意義將是巨大的?！焙掠抡f。

他進(jìn)一步解釋，把太陽能變成液體燃料，不僅意味著現(xiàn)有輸油、輸氣管線和儲罐，火車，油輪等能源設(shè)施可以繼續(xù)使用，而且甲醇等液態(tài)燃料比較穩(wěn)定，可以長時間儲存，同時解決了太陽能大規(guī)模儲存的問題。

此外，盡管全球范圍內(nèi)光伏發(fā)電的規(guī)模遠(yuǎn)大于光熱技術(shù)，但實際上，通過匯聚太陽能產(chǎn)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(shù)把所有太陽光無差別地轉(zhuǎn)換成熱能，而光伏技術(shù)只能把其中一部分轉(zhuǎn)換為電能；光熱技術(shù)中所有太陽能都可以用來制燃料，而光伏技術(shù)中只有轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷哪遣糠痔柲芸梢杂脕碇迫剂稀?/p>

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚需時日

示范裝置與工業(yè)化之間總是有一定的距離，還要克服諸多挑戰(zhàn)。太陽能到燃料的能量轉(zhuǎn)化效率便是最大的挑戰(zhàn)。

目前，在日常條件下，這套裝置在一天7小時的工作時間內(nèi)可以產(chǎn)生32毫升的甲醇，盡管轉(zhuǎn)化效率不高，但也代表著該技術(shù)的世界最高水平。

相比之下，商業(yè)化的光伏耦合電解水制氫能夠達(dá)到16%以上的效率。

也就是說，從效率上看，太陽能熱化學(xué)制燃料效率明顯偏低，需要大幅提升才能達(dá)到跟光伏電解相當(dāng)?shù)乃健?/p>

同時，光熱技術(shù)的反應(yīng)溫度較高，這將給整套裝置的成本和壽命帶來考驗?！靶枰_發(fā)更好的材料和能量轉(zhuǎn)化策略降低溫度?！焙掠抡f。

多位專家表示，近年來，光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，人們大有將太陽能技術(shù)等同于光伏技術(shù)的趨勢。

光熱技術(shù)想普及應(yīng)用，就需要取得公眾和社會的認(rèn)可。

這既需要研發(fā)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(jìn)材料和太陽能反應(yīng)系統(tǒng)工程方面，太陽能光熱技術(shù)還需要進(jìn)一步研發(fā)。

Steinfeld表示，材料在將太陽能轉(zhuǎn)化為具有高選擇性、穩(wěn)定性和速率的燃料方面發(fā)揮著關(guān)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(xué)循環(huán)分解水和二氧化碳的氧化還原性能。

“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(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重大需求，是一項非常有前景的可持續(xù)能源技術(shù)?！焙掠略u價道。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04174-y 《中國科學(xué)報》(2021-12-06第3版能源化工原標(biāo)題為《能工有巧思，燃料天上來》)