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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(neng)的潛力是巨大的，僅(jin)1%到(dao)達地(di)(di)球干(gan)旱地(di)(di)區的太陽(yang)輻射(she)就足(zu)以滿足(zu)全球能(neng)源消耗。科學家和工程師有責任開發節能(neng)且具(ju)有成本效益的技術，將太陽(yang)能(neng)轉化為有用的形式，即熱能(neng)、電力和燃料。

不過，水(shui)和(he)二氧化(hua)碳的能級比較低(di)，狀態比較穩(wen)定，重新變(bian)成燃料必然要(yao)付出(chu)巨大的能量代價。

在接受(shou)《中國科學(xue)報》采(cai)訪時，中國科學(xue)院工程熱物(wu)理研(yan)究(jiu)所（以(yi)下簡稱工程熱物(wu)理所）研(yan)究(jiu)員郝勇指出，“在大(da)規模意義上(shang)，如何以(yi)最小的(de)能量代(dai)價把水和二氧(yang)化碳重新變成碳氫燃(ran)料，是一個(ge)巨大(da)挑戰。”

造一套“無中生有”的能源裝置

當(dang)前，伴隨(sui)技術不斷進(jin)步，光伏發電成(cheng)本大幅度(du)降低；聚光太陽能(neng)熱發電技術也(ye)進(jin)入了小(xiao)規模(mo)的商業化使用階段。

太陽(yang)能向燃料(liao)的(de)轉化(hua)利用(yong)逐漸展現出巨大的(de)應用(yong)潛(qian)力(li)。

太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)向燃料的(de)轉(zhuan)化(hua)(hua)主要有兩種(zhong)(zhong)形(xing)式：一(yi)種(zhong)(zhong)是直接利(li)用光(guang)催(cui)化(hua)(hua)劑，在光(guang)照下(xia)分解水產生(sheng)氫氣，目前這種(zhong)(zhong)形(xing)式的(de)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)到氫能(neng)(neng)(neng)的(de)能(neng)(neng)(neng)量轉(zhuan)化(hua)(hua)效率不到2%；另(ling)一(yi)種(zhong)(zhong)是先將太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)熱或電，再(zai)耦(ou)合其他技術(shu)制造燃料。

太陽能(neng)燃料系(xi)統工作原理(li)圖(tu)

中(zhong)國(guo)(guo)科學(xue)(xue)院院士、中(zhong)國(guo)(guo)科學(xue)(xue)院大連化學(xue)(xue)物理研究所（以(yi)下簡稱大連化物所）研究員(yuan)李燦團(tuan)隊研發的(de)“液態陽光”技術就是探索之一。

該(gai)技(ji)術通(tong)過光伏捕獲(huo)太(tai)陽(yang)能(neng)，后續結合(he)電解水(shui)制(zhi)氫(qing)、二氧(yang)化碳加氫(qing)制(zhi)甲(jia)醇技(ji)術，從而將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)以液態燃料甲(jia)醇形(xing)式(shi)儲存并利用。

2020年，千噸級“液態陽光”示范(fan)項目在甘肅蘭(lan)州成功運(yun)行。

李燦團隊成員、大連化(hua)物所副研究(jiu)員李軍(jun)介紹，“液態(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)”技術使太(tai)陽(yang)能(neng)到(dao)液體燃(ran)料甲醇能(neng)量轉化(hua)效率大于14%，其中，光(guang)(guang)(guang)伏發電(dian)可用光(guang)(guang)(guang)熱發電(dian)替代，另一(yi)方(fang)面(mian)也可直接(jie)利用太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)(guang)熱效應將(jiang)水和二氧化(hua)碳轉化(hua)為太(tai)陽(yang)燃(ran)料。

目(mu)前，該團隊已(yi)經利用(yong)太(tai)陽熱(re)化學循環實現水分解制(zhi)氫(qing)、二氧化碳和甲烷干重整制(zhi)合成氣(qi)過程。

無獨有偶，此次Steinfeld團隊用光熱技(ji)術實現(xian)了水和二氧化碳(tan)到甲醇等液態燃料的過程，并(bing)設計出(chu)一套集成裝置。

該裝(zhuang)置(zhi)(zhi)由3部分構成：第(di)一是(shi)能(neng)(neng)夠直接(jie)從空氣(qi)(qi)中提(ti)取二氧(yang)化碳和(he)水的捕獲(huo)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)；第(di)二是(shi)能(neng)(neng)利用太陽能(neng)(neng)將水和(he)二氧(yang)化碳轉換(huan)為合成氣(qi)(qi)的太陽氧(yang)化還原(yuan)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)；第(di)三是(shi)能(neng)(neng)將合成氣(qi)(qi)轉換(huan)為液態烴或甲醇的氣(qi)(qi)轉液裝(zhuang)置(zhi)(zhi)。

在陽(yang)光(guang)照射下(xia)，這套(tao)裝置正在蘇(su)黎世(shi)聯邦理(li)工(gong)學院運(yun)轉，于無形中生產著液態燃料。

“集成(cheng)裝置設計是此次研(yan)究的亮點(dian)之一(yi)，盡管規(gui)模較小，但讓人(ren)們更加直接地意識(shi)到水(shui)和二(er)氧化(hua)碳(tan)變成(cheng)燃料的可實施性(xing)。”李軍說。

近乎“完美”的能源方案

Steinfeld深耕太(tai)陽(yang)能熱化學合成(cheng)燃(ran)料領(ling)域多年，是(shi)該領(ling)域的主(zhu)要開(kai)創者(zhe)之一(yi)。

2017年，在中國(guo)科學院國(guo)際合作(zuo)項目(mu)的支持下(xia)，Steinfeld對工程熱物理所進行學術訪(fang)問(wen)。

此后(hou)，郝勇還參(can)觀了(le)此次《自然》展示(shi)的全鏈條太陽能(neng)液體燃料合成裝置。

為什么將太陽能轉(zhuan)變成燃料，而(er)不是(shi)電(dian)能？郝勇解釋，盡(jin)管發(fa)電(dian)仍(reng)是(shi)太陽能的(de)主(zhu)要利用方式，但其(qi)產生的(de)電(dian)能的(de)儲(chu)存是(shi)一大挑戰，全世界范圍內皆如此。

用電(dian)池儲能，在(zai)(zai)家用等小規(gui)模場景是可(ke)行的，但(dan)在(zai)(zai)整(zheng)個能源結構中大規(gui)模、大范圍使用電(dian)池，還不(bu)現實。

“如(ru)果(guo)把(ba)太陽能(neng)變成跟目前使用的(de)(de)化石(shi)能(neng)源非常像的(de)(de)液體(ti)燃(ran)料，那(nei)么完(wan)全可(ke)以利(li)用現(xian)有的(de)(de)能(neng)源基礎設施直(zhi)接對接未來的(de)(de)可(ke)再生能(neng)源結構(gou)，而(er)不需要做大(da)的(de)(de)改動，總(zong)代價(jia)將(jiang)大(da)幅減(jian)小，能(neng)源轉型過程有望明顯(xian)加速，意(yi)義將(jiang)是巨大(da)的(de)(de)。”郝勇(yong)說。

他進一步(bu)解釋，把太陽(yang)能(neng)變成液體燃(ran)料(liao)，不僅意味(wei)著現有輸油(you)、輸氣管線和儲罐，火車，油(you)輪等(deng)能(neng)源設施(shi)可以繼續使用，而且甲(jia)醇等(deng)液態燃(ran)料(liao)比(bi)較穩定，可以長時間儲存(cun)，同時解決了太陽(yang)能(neng)大(da)規模(mo)儲存(cun)的問題。

此外，盡管全球范圍內光伏發電(dian)的規模遠大(da)于光熱技術，但實際上，通過(guo)匯聚太(tai)陽能產生高溫制氫的燃(ran)料(liao)成本(ben)可(ke)能有更大(da)的下降(jiang)空間。

郝勇(yong)解(jie)釋(shi)，太陽(yang)能(neng)光熱技術把所有(you)太陽(yang)光無差別(bie)地轉(zhuan)換成熱能(neng)，而光伏技術只能(neng)把其中(zhong)一部分轉(zhuan)換為電能(neng)；光熱技術中(zhong)所有(you)太陽(yang)能(neng)都(dou)可以用來制燃(ran)料，而光伏技術中(zhong)只有(you)轉(zhuan)變為電的那部分太陽(yang)能(neng)可以用來制燃(ran)料。

產業化應用尚需時日

示范裝置與工業化(hua)之間總是有一定的(de)(de)距(ju)離(li)，還要克服諸多挑戰。太陽能到燃料的(de)(de)能量轉化(hua)效率便(bian)是最(zui)大的(de)(de)挑戰。

目(mu)前(qian)，在日常條件下，這套裝置在一(yi)天7小(xiao)時的工(gong)作時間內可以產生32毫升的甲醇，盡管(guan)轉(zhuan)化效率不高，但也代表著該技術的世界(jie)最高水平。

相比之下，商業化(hua)的(de)光伏耦合電解(jie)水制氫能夠達到16%以上的(de)效率。

也就是(shi)說，從效(xiao)率(lv)上看，太陽能熱化學制燃料(liao)效(xiao)率(lv)明顯(xian)偏低，需要大幅提(ti)升才能達到跟(gen)光伏(fu)電解相當的水平(ping)。

同時，光熱技術的反應溫度較高，這將給整(zheng)套(tao)裝置的成本(ben)和(he)壽命帶(dai)來考(kao)驗。“需要開發更好的材料和(he)能量轉化策略降低溫度。”郝(hao)勇說。

多位專家表示，近(jin)年來，光伏(fu)發電發展迅猛，人們(men)大有將太陽能技術(shu)等同于光伏(fu)技術(shu)的趨勢。

光熱(re)技術想普(pu)及應用，就需(xu)要(yao)取(qu)得(de)公眾(zhong)和社會(hui)的認(ren)可。

這既需(xu)要研發人員的不(bu)懈(xie)努力和(he)不(bu)斷(duan)突(tu)破，也需(xu)要加(jia)大科普宣傳(chuan)力度。

接下來，在先進(jin)材(cai)料(liao)和太陽(yang)能(neng)(neng)反應系(xi)統(tong)工程方面，太陽(yang)能(neng)(neng)光熱技術還需要(yao)進(jin)一步研發(fa)。

Steinfeld表示，材料(liao)在將太陽能轉化為具有高選擇性、穩定性和速率的(de)燃料(liao)方面發揮(hui)著關鍵作用。

特別(bie)是新型金屬氧化物，例如摻雜二氧化鈰和鈣鈦礦，可以顯著(zhu)提高熱化學循環分解水和二氧化碳的(de)氧化還(huan)原性能。

“人(ren)類正在(zai)從化(hua)石能(neng)源時代加速跨入(ru)可(ke)再生(sheng)能(neng)源時代，向天空要(yao)能(neng)源，非(fei)常(chang)符合我國實現碳達峰、碳中(zhong)和(he)的(de)重(zhong)大需求，是一項非(fei)常(chang)有前景的(de)可(ke)持(chi)續能(neng)源技術。”郝勇評(ping)價道。

相關(guan)論文信息： 《中國科(ke)學報》(2021-12-06第3版(ban)能源化工(gong)原標(biao)題為《能工(gong)有巧(qiao)思，燃料天上來》)