隨著氣候變化從危機(jī)走向緊急，航空業(yè)似乎將無法實(shí)現(xiàn)2050年的凈零排放目標(biāo)。在大流行病之前的五年里，美國四大航空公司 —— 美國航空公司、達(dá)美航空公司、西南航空公司和聯(lián)合航空公司的噴氣燃料使用量增加了15%。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)效率不斷提高，但預(yù)計(jì)這一數(shù)字將繼續(xù)上升。

然而，太陽能燃料帶來了一線希望。蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的科學(xué)家和工程師首次報(bào)告了太陽能煤油綜合燃料生產(chǎn)廠的成功示范。利用集中太陽能，他們能夠從水蒸氣中生產(chǎn)煤油，并直接從空氣中生產(chǎn)二氧化碳。由此產(chǎn)生的燃料是化石燃料的替代品，可以與現(xiàn)有的儲存和分配基礎(chǔ)設(shè)施以及發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用。

由合成氣（syngas）衍生的燃料 —— 是一氧化碳和氫氣的特定混合物的中間產(chǎn)品，是傳統(tǒng)化石衍生燃料的已知替代品。合成氣由Fischer-Tropsch（FT）合成產(chǎn)生，在該合成過程中，化學(xué)反應(yīng)將一氧化碳和水蒸氣轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔铩TH的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用金屬氧化物氧化還原循環(huán)，利用太陽能驅(qū)動(dòng)的熱化學(xué)方法分解水和二氧化碳，可以產(chǎn)生可再生的合成氣。2019年，他們在ETH機(jī)器實(shí)驗(yàn)室的屋頂太陽能精煉廠演示了該過程。

目前的試點(diǎn)規(guī)模的塔式太陽能電站是在西班牙IMDEA能源研究所建立的。該研究負(fù)責(zé)人、ETH工程教授Aldo Steinfeld說，它將2019年實(shí)驗(yàn)的太陽能反應(yīng)堆放大了10倍。該燃料廠將三個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合在一起：太陽能塔濃縮設(shè)施、太陽能反應(yīng)堆和氣液轉(zhuǎn)換裝置。

首先，由反射鏡組成的定日鏡場隨太陽旋轉(zhuǎn)，將太陽輻射集中到安裝在塔頂?shù)姆磻?yīng)堆中。反應(yīng)器是一個(gè)空腔接收器，內(nèi)襯由氧化鈰（cerium（IV） oxide）制成的網(wǎng)狀多孔陶瓷結(jié)構(gòu)。在反應(yīng)器內(nèi)，集中的陽光創(chuàng)造了約1500°C的高溫環(huán)境，溫度足以將捕獲的二氧化碳和水從大氣中分離出來，生成合成氣。最后，合成氣在氣液裝置中加工成煤油。集中控制室操作整個(gè)系統(tǒng)。

使用這種方法生產(chǎn)的燃料關(guān)閉了燃料碳循環(huán)，因?yàn)樗划a(chǎn)生與其制造過程中所產(chǎn)生的二氧化碳一樣多的二氧化碳。“目前的試點(diǎn)燃料廠仍然是一個(gè)用于研究目的的示范設(shè)施，”Steinfeld說，“但它是一個(gè)完全集成的工廠，使用的太陽能塔配置規(guī)模與工業(yè)實(shí)施相關(guān)。”

“太陽能反應(yīng)器產(chǎn)生的合成氣具有適合于FT合成的選擇性、純度和質(zhì)量。”作者在論文中指出。他們還報(bào)告了多個(gè)連續(xù)循環(huán)的良好材料穩(wěn)定性，并觀察到太陽能與合成氣的能源效率為4.1%，Steinfeld表示，這是熱化學(xué)燃料生產(chǎn)的創(chuàng)紀(jì)錄值，盡管需要更高的效率才能使該技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)競爭力。

“能量轉(zhuǎn)換效率的測量值是在沒有實(shí)施任何熱回收的情況下獲得的，”Steinfeld說。反應(yīng)器氧化還原循環(huán)中排出的熱量占太陽能輸入的50%以上。“這一部分可以通過溫躍層儲熱進(jìn)行部分回收。熱力學(xué)分析表明，顯熱回收有可能將能源效率提高到20%以上。”

ETH ZURICH

為了做到這一點(diǎn)，需要做更多的工作來優(yōu)化反應(yīng)堆內(nèi)襯的陶瓷結(jié)構(gòu)，ETH團(tuán)隊(duì)正在積極研究這一問題，通過研究3D打印結(jié)構(gòu)來提高體積輻射吸收。“此外，替代材料成分，即鈣鈦礦或鋁酸鹽，可提高氧化還原能力，從而提高每質(zhì)量氧化還原材料的比燃料輸出，” Steinfeld補(bǔ)充道。

他說，研究人員面臨的下一個(gè)挑戰(zhàn)是擴(kuò)大他們的技術(shù)，以獲得更高的太陽輻射功率輸入，可能使用太陽能塔頂部的太陽能腔體接收器模塊陣列。

為了將太陽能煤油引入市場，Steinfeld設(shè)想了一個(gè)基于配額的系統(tǒng)。他說：“航空公司和機(jī)場將被要求在其飛機(jī)上的噴氣燃料總量中，至少要有可持續(xù)航空燃料的份額。”這看起來是有可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樘柲苊河涂梢耘c化石煤油混合。

與此同時(shí)，配額的增加將帶來投資，降低成本，最終用太陽能煤油取代化石煤油。“當(dāng)太陽能噴氣燃料達(dá)到噴氣燃料總量的10%至15%時(shí)，我們應(yīng)該能夠看到太陽能煤油的成本接近化石煤油，”他補(bǔ)充道。

據(jù)悉，這一切我們可能不必等待太長時(shí)間了。Steinfeld實(shí)驗(yàn)室的商業(yè)分支之一，Synhelion，正在致力于在2023年啟用第一個(gè)工業(yè)規(guī)模的太陽能燃料工廠。該公司還與瑞士航空公司合作，單獨(dú)使用其太陽能煤油進(jìn)行飛行。