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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，并設想用于航空部門。

Steinfeld認為，太陽(yang)能的潛(qian)力是巨大的，僅1%到(dao)達地球干旱地區的太陽(yang)輻射就足(zu)(zu)以(yi)滿足(zu)(zu)全球能源消耗。科學家和工程師有(you)責任(ren)開(kai)發節能且具有(you)成本(ben)效益的技術，將太陽(yang)能轉化為有(you)用的形式，即熱能、電力和燃料。

不過，水和二氧化碳的能(neng)級比(bi)較(jiao)低，狀(zhuang)態比(bi)較(jiao)穩定(ding)，重新變成燃料必然要(yao)付(fu)出巨大的能(neng)量代價。

在接受《中國科學(xue)報》采訪時，中國科學(xue)院工程熱物理(li)(li)研究所（以下簡稱工程熱物理(li)(li)所）研究員郝(hao)勇(yong)指出，“在大規模意義上，如何以最小的(de)能量(liang)代(dai)價把水和二氧化碳(tan)重新變成碳(tan)氫燃料，是一(yi)個巨大挑戰。”

造一套“無中生有”的能源裝置

當前(qian)，伴(ban)隨技術不斷進步，光(guang)伏發電成本大幅度降低(di)；聚光(guang)太陽能(neng)熱發電技術也(ye)進入了(le)小規模的商業(ye)化使(shi)用階段(duan)。

太(tai)陽(yang)能向(xiang)燃(ran)料的轉化利(li)用逐(zhu)漸展現(xian)出(chu)巨大的應用潛力。

太(tai)陽(yang)能向(xiang)燃料(liao)的(de)轉(zhuan)化主要有兩(liang)種(zhong)形式：一種(zhong)是直接(jie)利用光(guang)催化劑(ji)，在光(guang)照下分(fen)解水產生(sheng)氫氣，目(mu)前(qian)這種(zhong)形式的(de)太(tai)陽(yang)能到氫能的(de)能量(liang)轉(zhuan)化效率不到2%；另一種(zhong)是先將太(tai)陽(yang)能轉(zhuan)化為熱(re)或(huo)電，再耦合其他技術(shu)制造燃料(liao)。

太(tai)陽能燃(ran)料系統(tong)工作原理(li)圖

中(zhong)國(guo)科(ke)(ke)學院院士、中(zhong)國(guo)科(ke)(ke)學院大連化學物理研究(jiu)(jiu)所（以下簡稱大連化物所）研究(jiu)(jiu)員李燦團隊(dui)研發的“液態(tai)陽(yang)光”技術就(jiu)是探索之(zhi)一(yi)。

該技術通過光伏捕獲太陽能，后續結合電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)、二氧化(hua)碳加氫(qing)制(zhi)甲(jia)(jia)醇技術，從而將(jiang)太陽能以液態燃料甲(jia)(jia)醇形式儲(chu)存并利(li)用。

2020年(nian)，千噸級“液態陽光”示范項(xiang)目在甘肅蘭(lan)州成功運行。

李燦團隊成員、大(da)連化物所副研究員李軍介(jie)紹，“液(ye)(ye)態陽(yang)光(guang)”技(ji)術使太陽(yang)能到液(ye)(ye)體燃料甲醇能量轉化效率(lv)大(da)于14%，其(qi)中，光(guang)伏發電可用光(guang)熱(re)發電替(ti)代，另(ling)一(yi)方(fang)面也可直(zhi)接利用太陽(yang)能光(guang)熱(re)效應將水和二(er)氧化碳(tan)轉化為太陽(yang)燃料。

目前，該(gai)團隊已經利用(yong)太陽熱化學循環實現(xian)水分(fen)解制氫(qing)、二(er)氧化碳和甲(jia)烷干重整制合成氣(qi)過程。

無獨(du)有偶，此次Steinfeld團(tuan)隊用光(guang)熱技術實現(xian)了水(shui)和二氧(yang)化碳到(dao)甲醇(chun)等液(ye)態燃料的過(guo)程，并設計出一套集成裝置。

該裝置(zhi)由3部(bu)分構成(cheng)：第(di)一是(shi)能(neng)(neng)夠直接從空氣(qi)中(zhong)提(ti)取二氧化碳和水的捕獲裝置(zhi)；第(di)二是(shi)能(neng)(neng)利用太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)將水和二氧化碳轉(zhuan)換(huan)為合成(cheng)氣(qi)的太(tai)陽(yang)氧化還(huan)原裝置(zhi)；第(di)三是(shi)能(neng)(neng)將合成(cheng)氣(qi)轉(zhuan)換(huan)為液態烴或(huo)甲醇的氣(qi)轉(zhuan)液裝置(zhi)。

在陽光照射下，這套(tao)裝(zhuang)置正(zheng)在蘇黎世聯(lian)邦理工學院運(yun)轉，于(yu)無形中生產著液態燃料(liao)。

“集成(cheng)裝置設(she)計是此次(ci)研究的(de)亮點之一，盡管規模(mo)較小，但讓人們更加直接地意(yi)識到水和二氧化碳變成(cheng)燃料的(de)可實施性。”李(li)軍(jun)說。

近乎“完美”的能源方案

Steinfeld深耕太陽能熱化學合(he)成燃(ran)料(liao)領域多年，是(shi)該領域的主(zhu)要開創者之一。

2017年，在中國科學院國際合作項目的支持下，Steinfeld對工程熱(re)物理所進行學術訪問。

此后(hou)，郝勇還參(can)觀了此次(ci)《自然(ran)》展示的(de)全鏈條太陽能液體燃料合成裝(zhuang)置。

為什么將太陽能(neng)轉變(bian)成燃料，而不是電能(neng)？郝(hao)勇解釋，盡(jin)管發電仍是太陽能(neng)的(de)主(zhu)要利用方(fang)式(shi)，但其產生的(de)電能(neng)的(de)儲存是一大挑戰，全世界范(fan)圍內皆(jie)如此(ci)。

用電池儲能，在家用等小(xiao)規模(mo)場景是(shi)可(ke)行(xing)的，但(dan)在整個能源(yuan)結構中大規模(mo)、大范(fan)圍使用電池，還不(bu)現實(shi)。

“如果把太陽能(neng)(neng)(neng)變成跟目前使用的化石能(neng)(neng)(neng)源(yuan)非(fei)常(chang)像的液體燃(ran)料，那么(me)完全可以利用現有的能(neng)(neng)(neng)源(yuan)基礎設施直接對接未來的可再生能(neng)(neng)(neng)源(yuan)結構，而(er)不需要(yao)做大的改(gai)動，總代價將(jiang)大幅減小(xiao)，能(neng)(neng)(neng)源(yuan)轉型過程有望明顯(xian)加速(su)，意(yi)義將(jiang)是巨大的。”郝勇說。

他進一步解釋(shi)，把太(tai)陽能(neng)變成液(ye)體燃料，不僅意味著現有輸油、輸氣管線和儲罐，火車(che)，油輪等能(neng)源設(she)施可以(yi)繼續使用，而且甲醇等液(ye)態燃料比(bi)較穩定，可以(yi)長時(shi)間儲存，同(tong)時(shi)解決了太(tai)陽能(neng)大規模(mo)儲存的問題。

此(ci)外，盡管全球范(fan)圍內光(guang)(guang)伏發(fa)電的規模遠大于光(guang)(guang)熱(re)技(ji)術，但實際上(shang)，通(tong)過匯聚太陽(yang)能(neng)產生高溫制氫的燃料成本可能(neng)有更大的下降空間(jian)。

郝勇解釋，太(tai)陽能(neng)(neng)光(guang)(guang)熱技(ji)(ji)術(shu)把所(suo)有太(tai)陽光(guang)(guang)無(wu)差(cha)別地轉(zhuan)換成熱能(neng)(neng)，而光(guang)(guang)伏技(ji)(ji)術(shu)只能(neng)(neng)把其(qi)中一部分(fen)轉(zhuan)換為(wei)(wei)電(dian)能(neng)(neng)；光(guang)(guang)熱技(ji)(ji)術(shu)中所(suo)有太(tai)陽能(neng)(neng)都可以用來(lai)制燃料，而光(guang)(guang)伏技(ji)(ji)術(shu)中只有轉(zhuan)變為(wei)(wei)電(dian)的那(nei)部分(fen)太(tai)陽能(neng)(neng)可以用來(lai)制燃料。

產業化應用尚需時日

示范裝置(zhi)與工業化之間(jian)總是有一定(ding)的(de)距離，還要克服諸多挑戰。太(tai)陽能到燃料的(de)能量(liang)轉化效率(lv)便是最大的(de)挑戰。

目(mu)前，在(zai)日常條件下，這(zhe)套(tao)裝置在(zai)一天7小時(shi)的(de)工作(zuo)時(shi)間內可以產生32毫升的(de)甲醇，盡(jin)管轉化效率不(bu)高(gao)(gao)，但也(ye)代表著(zhu)該(gai)技術的(de)世(shi)界最高(gao)(gao)水平。

相(xiang)比之下(xia)，商業化的光伏耦合電解水制氫(qing)能(neng)夠達到16%以上的效率(lv)。

也就是說，從效率上看，太陽能(neng)熱化(hua)學制燃料效率明(ming)顯偏(pian)低，需要大幅提升才能(neng)達(da)到跟光伏電解相當的(de)水(shui)平。

同時，光熱技(ji)術的反(fan)應溫(wen)(wen)度(du)較(jiao)高，這將給整套裝置的成本(ben)和壽命帶來考(kao)驗。“需要開(kai)發更好的材料和能(neng)量轉(zhuan)化策略(lve)降低溫(wen)(wen)度(du)。”郝勇說。

多位專家表示，近年來，光(guang)伏(fu)發電發展迅(xun)猛(meng)，人們大有將(jiang)太(tai)陽能技(ji)術等同于光(guang)伏(fu)技(ji)術的(de)趨勢。

光(guang)熱技術想普及應(ying)用，就需(xu)要取(qu)得公(gong)眾和社(she)會的(de)認可。

這既需要研發人員的(de)不懈(xie)努力和不斷突(tu)破，也需要加大科(ke)普宣傳力度。

接(jie)下來，在(zai)先(xian)進材料和太陽能反應(ying)系(xi)統工程方面(mian)，太陽能光熱技術還需要(yao)進一(yi)步研發。

Steinfeld表(biao)示，材料(liao)在將太陽能轉(zhuan)化為具有高選擇性、穩定性和速率的燃料(liao)方面發揮著關鍵作用。

特別是新型金屬氧化(hua)(hua)物，例如摻(chan)雜(za)二(er)氧化(hua)(hua)鈰和(he)鈣鈦(tai)礦，可以顯(xian)著提高熱化(hua)(hua)學循環分解水(shui)和(he)二(er)氧化(hua)(hua)碳(tan)的氧化(hua)(hua)還(huan)原性能。

“人類正(zheng)在從(cong)化石能(neng)源(yuan)時代加速(su)跨入(ru)可再生能(neng)源(yuan)時代，向天空要能(neng)源(yuan)，非常(chang)符合我國實(shi)現碳達峰(feng)、碳中和(he)的重大需(xu)求，是一項非常(chang)有前景的可持續能(neng)源(yuan)技術。”郝勇評價道。

相關論文信息(xi)： 《中(zhong)國(guo)科學(xue)報》(2021-12-06第(di)3版能源化工原(yuan)標題為《能工有巧思(si)，燃料天上來》)