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利用空气制造的可持续性燃料或可解决能源危机

近两年来,苏黎世联邦理工学院的科研人员一直在学院地处市中心的一个屋顶上运行一部小型太阳能炼油示范装置。 ETH / Alessandro Della Bella

利用阳光和空气生产燃料的炼油厂……这个场景听上去像是科幻小说。然而瑞士科学家不但宣称已经做到了,还开发出一种生产可持续性燃料的潜在可扩增方式。如今一家瑞士衍生企业正在努力将这种技术商业化。

此内容发布于 2021年12月22日 - 09:00

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坐落在苏黎世市中心一个屋顶上的这架白色装置貌似007影片里的卫星天线,顶上冒出的部分指向天空,但它却不是用来追踪秘密通讯信号的。这个独特的装置--一个小型太阳能燃料生产设备--由苏黎世联邦理工学院(ETHZ)的科学家制造,其目的是表明有可能仅用阳光和空气生产碳中性燃料。

经过两年的可行性研究,科研人员表示,他们的示范性太阳能燃料生产设备已经证实了这套生产过程的“稳定和可靠”运行。研究结果最近被发表在《自然》杂志上。

领导这个团队的苏黎世理工教授阿尔多·施泰因费尔德(Aldo Steinfeld)告诉瑞士资讯swissinfo.ch:“这是一次令人惊喜的探索之旅,一路上有失败也有成功。”20多篇博士论文为这个长达十年的项目做出了贡献。

外部内容

他们的发现可以为生产工业用数量的“滴入式燃料”(drop-in fuels)铺平道路。所谓滴入式燃料,是指可用现有输油管运输、无需另建专用设施,且可与石油及石油产品混用的合成版本的液态烃,可作为煤油、汽油或柴油等(这些都是液态烃)传统化石燃料的替代品。这种燃料能对绿色转型产生巨大影响,并有助于使长途航空和海上航运更具可持续性,而这两个运输部门就占全球温室气体排放量的8%。但要扩大这一生产过程,将其推向市场,仍需做很多工作。

多阶段热化学过程

这套小型太阳能燃料生产系统通过一个多阶段热化学过程(观看下面的动画),从阳光和空气中生产出煤油或甲醇等液体燃料。首先,一个“直接空气捕获装置”从环境空气中同时提取二氧化碳和水;之后,碗状反射器将阳光集中3000倍,在一个小型太阳能反应器中产生1500摄氏度高温;在反应器里,氧化铈被还原,而氧气则被释放。在第二步中,二氧化碳和水被加入,以产生所谓的合成气(一氧化碳和氢气)。到第三即最后阶段,一个气转液装置将合成气转化为液态碳氢化合物(液态烃)或甲醇。

外部内容

目前这个太阳能燃料生产设备在典型的七小时操作中,能从100升合成气中生产将近50毫升的纯甲醇。科研人员表示,这一产出太少,尚不能用于驱动任何车辆,但它明确展示了该过程的可行性,是一个“重要的里程碑”。

基础性研发将继续在苏黎世及马德里市郊的一座太阳能塔内进行。与此同时,由施泰因费尔德教出的博士生创办的两家瑞士衍生企业-- Climeworks和Synhelion--正致力于将这些技术推向市场。Climeworks在把从空气中捕获二氧化碳的技术商业化,而Synhelion则在做从二氧化碳中生产太阳能燃料技术的商业化。

施泰因费尔德宣称:“一对完美的瑞士制造组合。”

规模扩增

设在苏黎世的Synhelion目前有20名员工,上月该公司宣布已从投资商处筹集到1600万瑞郎(约合人民币1.1亿元),以加速太阳能燃料技术的商业化。

部分资金将用于世界首座工业化太阳能燃料生产厂的建设与运营,这个厂设在德国西部于利希(Jülich )的德国航空中心(DLR)。

德国于利希航空中心(DLR)的太阳能测试设施 DLR

这个中心为瑞士企业家提供了大规模的基础设施。Synhelion还得到德国联邦经济事务和能源部(BMWi)的财政支持,该部最近刚向他们的项目投资392万欧元(约合人民币2795.32万元)。

“我们正在完成最后的安装工作,将于2022年初开始系统调试。之后我们会建设公司的首个工业化规模生产厂……它包含了自己的镜场、太阳能塔、接收器、反应器和热能存储系统。在太阳能塔旁将安装一个费托(Fischer-Tropsch)燃料合成系统,用来把合成气转化为液态燃料,”Synhelion总裁兼创办人菲利普·富勒(Philipp Furler)解释。

他也承认,德国和瑞士缺乏恒定的日照,因而不是进行太阳能燃料生产的理想地点。但于利希是个完美的研发中心。

“这是以工业化规模从头到尾展示这项技术的最迅速、最简便的方式,”他评价说。

德国于利希占地8万平方米的太阳能设施设置了2000多面镜子,把阳光反射至两座太阳能塔。 Synhelion

下一步将是在日照充沛的西班牙建造一个规模稍大的商业化生产厂,能够不间断运营以生产数量更大的燃料,进而降低生产成本。

Synhelion有多个雄心勃勃的计划。从2023年起,于利希的生产厂应能开始每年生产1万升太阳能燃料。一朝西班牙的厂于2025年投入运营,每年产量应可提升至160万升。富勒的公司已在计划到2030年将产量目标定在每年8.75亿升。

太阳能燃料配额

Synhelion和Climeworks吸引了多方兴趣。上月瑞士环境部长西蒙奈特·索马鲁嘎(Simonetta Sommaruga)参观了苏黎世的这两家公司,进一步了解他们的工作。会谈还触及了接下来的生产步骤及政府支持。

尽管技术已有长足进步,但仍需各种更动以提高效率。富勒指出,主要的挑战涉及把关键性组成部分整合进整套系统。

专家称,发展过程中最困难的下一步将是克服高昂的初期价格壁垒。一开始Synhelion的太阳能燃料会比化石燃料及航空煤油价格更高。Synhelion估计到2030年每年生产70万吨太阳能燃料,将能满足瑞士航空业燃料消耗量的一半左右,但其成本可达数亿瑞郎。二氧化碳税很可能不足以降低这些成本。

瑞士环境部长表示,决策者必须参与创造明确的框架条件,来帮助各家企业做长远计划。

她举例说:“我们能给航空业引入合成燃料混合配额,借以创造新的市场。”

阿尔多·施泰因费尔德也认为设置配额可能辅助滴入式燃料技术及其发展未来。

“政府可以设置要求,让各航线及机场在给飞机所加的航空煤油中,至少应有一定份额的太阳能燃料,”他强调。

一开始可从很少的比例入手--只有1%的飞机燃料为太阳能煤油--来降低总的燃料成本,这一配额将促进对太阳能燃料厂的投资,从而像风能和太阳能发电那样带来成本的下降。

“到配额上升至10–15%时,我们定会看到太阳能燃料的成本接近化石燃料成本。这是个可以直接实施的战略,”这位苏黎世理工教授表示。

如今可持续性航空燃料依然价格高昂、使用有限,只有个别航线将之与普通燃料混合使用。但全球航空公司的同业公会国际航空运输协会(IATA)希望大幅增加可持续性航空燃料的使用。该协会已做出一个不具约束力的净零承诺,要在2050年前减少二氧化碳排放量,其中提到航空业使用的可持续性燃料比例应从2025年的2%,到2050年提升至65%。

(译自英语:于雷)

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