能工有巧思 燃料天上来

原标题:巧思燃料从天而降。

阿尔卑斯山脚下的“世界公园”瑞士美丽的风景吸引了全球的目光，现在他们发现了自然资源的另一种用途。近日，《自然》发表论文称，瑞士工程院院士、苏黎世联邦理工学院教授奥尔多·斯坦菲尔德等研究人员利用太阳光和空气体生产液体燃料，本该用于航空空部门。

革命以来，煤炭、石油、天然气等化石资源成为主要能源。它们通过燃烧提供能量，并释放水和二氧化碳。为了实现真正的可持续发展，减少或不再向大气排放二氧化碳，科学家设想可以通过人工方法将水和二氧化碳再次转化为燃料。但水和二氧化碳的能级相对较低，状态相对稳定，因此必然要付出巨大的能源代价才能再次转化为燃料。

“如何以最小的能源成本大规模地将水和二氧化碳再次转化为碳氢燃料，是一个巨大的挑战。”中国科学院工程热物理研究所(以下简称工程热物理研究所)研究员郝勇告诉《中国科学》杂志。

做一套“无中生有”的能量装置。

斯坦菲尔德认为，太阳能的潜力是巨大的，到达地球干旱地区的太阳辐射只有1%足以满足全球能源消耗。科学家和工程师有责任开发节能和具有成本效益的技术，将太阳能转化为有用的形式，即热能、电能和燃料。

目前，随着技术的不断进步，光伏发电的成本大大降低，并已大规模商业化。聚光太阳能热发电技术也进入了小规模商用阶段；太阳能向燃料的转化利用也逐渐显示出巨大的应用潜力。

太阳能转化为燃料主要有两种形式:一种是直接利用光催化剂在光照下分解水产生氢气，目前这种形式的太阳能转化为氢能的能量转换效率不足2%；另一种方式比前者更间接，首先将太阳能转化为热能或电能，然后与其他技术耦合制成燃料。

中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化学物理研究所)研究员李灿研发的“液态阳光”技术就是其中一项探索。在这项技术中，太阳能由光伏捕获，然后通过电解水制氢和通过二氧化碳加氢生产甲醇，从而以液体燃料甲醇的形式储存和利用太阳能。2020年，千吨级“液态阳光”示范工程在甘肃兰州成功运行。李灿团队成员、大连化工研究院副研究员李俊介绍，“液态阳光”技术实现了甲醇能源从太阳能到液体燃料的转化效率在14%以上，其中光伏发电也可以用光热发电替代，另一方面利用太阳能光热效应可以将水和二氧化碳直接转化为太阳能燃料。该团队利用太阳能热化学循环实现了水分解制氢和二氧化碳和甲烷干重整制合成气的过程。

巧合的是，这一次，斯坦菲尔德的团队利用光热技术实现了从水和二氧化碳到甲醇等液体燃料的过程，并设计了一个集成装置。该装置由三部分组成，一个可以直接从空气体中提取二氧化碳和水的捕集装置，一个可以利用太阳能将水和二氧化碳转化为合成气的太阳能氧化还原装置，一个可以将合成气转化为液态烃或甲醇的气液转换装置。在阳光下，这个装置在苏黎世联邦理工学院运行，实际上生产液体燃料。

“集成器件的设计是本次研究的亮点之一。虽然规模相对较小，但它让人们更直接地意识到将水和二氧化碳转化为燃料的可行性。”李俊说。

近乎完美的能源方案

人类累计向大气排放的二氧化碳已经达到1.5万亿吨，现在全球每年向大气排放的碳已经达到400多亿吨。巨大的二氧化碳排放带来了严重的气候危机。一方面，必须减少二氧化碳排放；另一方面，如果能够利用太阳能将大气中的二氧化碳收集起来并转化为燃料，希望这种不可持续的从地下挖掘化石能源并燃烧二氧化碳的模式能够被完全取代。这对日益严峻的气候变化和人类社会的可持续发展非常重要。后者也是斯坦菲尔德的目标。

Steinfeld多年来一直深入参与太阳能热化学合成燃料领域，是该领域的主要开拓者之一。2017年，在中国科学院国际合作项目的支持下，斯坦菲尔德对工程热物理研究所进行了学术访问。之后，郝勇还参观了《自然》展示的全链条太阳能液体燃料合成装置。

为什么要把太阳能变成燃料而不是电能。郝勇解释说，尽管发电仍然是使用太阳能的主要方式，但所产生的电能的储存是一大挑战，这在世界各地都是如此。在家庭使用等小规模场景下使用电池储能是可行的，但在整个能源结构中大规模、大范围使用电池还有一定的距离。

“如果将太阳能转化为与目前使用的化石能源非常相似的液体燃料，那么可以利用现有的能源基础设施，直接连接未来的可再生能源结构，而不会发生重大变化，总成本将大幅降低，能源转型的进程有望显著加快，意义重大。”郝勇说。

他进一步解释说，将太阳能转化为液体燃料，不仅意味着现有的油气管道和储罐、火车、油轮等能源设施可以继续使用，而且甲醇等液体燃料相对稳定，可以长期储存，同时解决了太阳能大规模储存的问题。

此外，虽然世界上光伏发电的规模远大于光热技术，但实际上，通过集中太阳能产生高温制氢等燃料的成本可能会进一步降低空。郝勇解释说，太阳能光热技术不加区别地将所有阳光转化为热能，而光伏技术只能将其一部分转化为电能；在光热技术中，所有的太阳能都可以用来制造燃料，而在光伏技术中，只有转化为电能的那部分太阳能可以用来制造燃料。

工业化仍然需要时间。

示范器件与产业化总有一定的距离，还有很多挑战需要克服。从太阳能到燃料的低能量转换效率首当其冲。目前，在日常条件下，该装置每天可在7小时内生产32毫升甲醇。虽然转换效率不高，但也代表了这项技术在世界上的最高水平。相比之下，商业光伏耦合电解水制氢的效率可以达到16%以上。也就是说，从效率来看，太阳能热化学燃料明显偏低，需要大幅提升才能达到与光伏电解相当的水平。

同时，光热技术的反应温度比较高，会考验整个器件的成本和使用寿命。“有必要开发更好的材料和能量转换策略来降低温度”，郝勇说。

近年来，随着光伏发电的快速发展，人们倾向于将太阳能技术等同于光伏技术。光热技术要广泛应用，需要得到公众和社会的认可。这需要R&D人员的不懈努力和突破，以及科普的努力。

接下来，在先进材料和太阳能反应系统工程方面，太阳能光热技术还需要进一步的研发。Stefeldaldo说，材料在将太阳能以高选择性、稳定性和速度转化为燃料方面发挥着关键作用。特别是新的金属氧化物，如掺杂氧化铈和钙钛矿，可以显著提高热化学循环分解水和二氧化碳的氧化还原性能。

“人类正在从化石能源时代步入可再生能源时代，对能源的要求从天而降空，这符合中国对二氧化碳峰值排放和碳中和的重大需求，是一项非常有前景的可持续能源技术。”郝勇说。(来源:中国科学杂志不夜)回搜狐看更多。

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