▲第一作者：Remo Sch?ppi
通訊作者：Philipp Furler，Aldo Steinfeld
通訊單位：瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04174-y
航空航運(yùn)貢獻(xiàn)了大約8%的人為二氧化碳排放總量，旅游業(yè)和全球貿(mào)易的增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將使這一貢獻(xiàn)進(jìn)一步增加1-3%。使用可充電電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行碳中性運(yùn)輸是可行的，但是對(duì)于長(zhǎng)途商務(wù)旅行而言具有很大挑戰(zhàn)性。一個(gè)有希望的解決方案是由H2O和CO2通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)過(guò)程制成即時(shí)可用燃料。在許多可能的方法中，使用集中太陽(yáng)輻射作為高溫?zé)嵩吹臒峄瘜W(xué)方法具有潛在的高生產(chǎn)率和高效率。如果所需的二氧化碳直接從大氣中獲得，則可以生產(chǎn)真正的碳中性燃料。如果H2O也是從空氣中一起提取的，那么原料采購(gòu)和燃料生產(chǎn)可以共同位于太陽(yáng)輻射量高、獲取水資源有限的沙漠地區(qū)。雖然這一計(jì)劃的單個(gè)步驟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但本文展示了整個(gè)熱化學(xué)太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)鏈的操作流程，一步到位地直接從環(huán)境空氣中捕獲H2O和CO2到合成即時(shí)可用的運(yùn)輸燃料。本文采用真實(shí)條件下模塊化的5千瓦級(jí)試點(diǎn)規(guī)模的太陽(yáng)能系統(tǒng)，從而進(jìn)一步確定未來(lái)的研發(fā)工作的方向，并討論了將這些太陽(yáng)能燃料推向市場(chǎng)所需的經(jīng)濟(jì)可行性和政策分析。▲圖1 |太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)的簡(jiǎn)化工藝鏈?zhǔn)疽鈭D。
▲擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1 |蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)照片。
? 工藝鏈：將三個(gè)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置集成在：1）直接空氣捕獲（DAC）裝置直接從環(huán)境空氣中同時(shí)提取CO2和H2O；2）太陽(yáng)能氧化還原裝置，使用聚集的太陽(yáng)能將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為所需的CO和H2（合成氣）混合物；3）最終將合成氣轉(zhuǎn)化為甲醇或液態(tài)烴的氣-液（GTL）合成裝置。? 太陽(yáng)能聚光器焦點(diǎn)的變化是通過(guò)使用耦合了次級(jí)平面旋轉(zhuǎn)反射器的初級(jí)太陽(yáng)跟蹤拋物面聚光器來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖1和擴(kuò)散數(shù)據(jù)圖1)。對(duì)于1kW/m2的直接正常太陽(yáng)輻射(DNI)，太陽(yáng)能聚光器可以交替提供高達(dá)7.7千瓦的太陽(yáng)輻射功率，峰值通量為5010 DNI，平均通量為2710 DNI，這些數(shù)據(jù)都是在每個(gè)太陽(yáng)能反應(yīng)堆的半徑30毫米的聚光點(diǎn)上測(cè)量的。▲圖2 |用于同時(shí)分解H2O和CO2的太陽(yáng)能氧化還原裝置的實(shí)驗(yàn)性日運(yùn)行性能曲線。
? 太陽(yáng)能氧化還原裝置可以同時(shí)分離純CO2、純H2O以及H2O和CO2。在真空壓力下運(yùn)行的還原步驟中，吹掃氣體(Ar或空氣)引導(dǎo)流體流動(dòng)。此外，當(dāng)同時(shí)共裂解H2O和CO2時(shí)，在還原步驟之后注入Ar或CO2(取決于目標(biāo)合成氣成分)，以便在氧化步驟之前重新對(duì)空腔進(jìn)行加壓。惰性氣體的消耗會(huì)帶來(lái)能源損失，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生不利影響。? 圖2顯示了典型的每天運(yùn)行7小時(shí)，對(duì)H2O和CO2進(jìn)行17個(gè)連續(xù)裂解的氧化還原循環(huán)曲線，產(chǎn)生了96.2L(標(biāo)準(zhǔn)升，包括所有的H2、CO、CO2和Ar)的合成氣，組分為59.5%的H2、4.6%的CO、17.5%的CO2和18.4%的Ar。? 氧的質(zhì)量平衡證實(shí)了H2O轉(zhuǎn)化為H2和CO2轉(zhuǎn)化為CO的總選擇性。合成氣的日質(zhì)量比產(chǎn)率為12.81 L/kg，其累積摩爾比H2：COX為2.7。CO2-CO摩爾轉(zhuǎn)化率累計(jì)為15.1%，僅CO2裂解25次就達(dá)到了65%的峰值。通過(guò)降低CO2質(zhì)量流量，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率，但代價(jià)是產(chǎn)生較少的合成氣。▲擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2 |典型的太陽(yáng)能氧化還原循環(huán)產(chǎn)生的合成氣具有適合甲醇合成的成分。
▲擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3 |典型的太陽(yáng)能氧化還原循環(huán)產(chǎn)生的合成氣具有適合FT合成的成分
根據(jù)GTL裝置中使用的催化劑，用于甲醇合成的合成氣的所需H2：COX摩爾比介于2到3之間，而用于FT合成的合成氣的所需的H2：CO摩爾比約為2。通過(guò)調(diào)整對(duì)太陽(yáng)能反應(yīng)器的H2O：CO2進(jìn)料比可以控制合成氣的組成，或者通過(guò)分別進(jìn)行CO2和H2O的裂解和/或通過(guò)簡(jiǎn)單地選擇適當(dāng)?shù)暮铣蓺怏w收集的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間也可以控制合成氣的組成。在任何一種情況下，合成氣的純度和質(zhì)量都適合于GTL工藝，并且可以為甲醇或FT合成量身定做，如擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3所示，這里不需要用于校正組成成分或分離不希望的副產(chǎn)品的附加步驟。也就是說(shuō)，這種工藝不需要吸熱式逆水煤氣變換(RWGS)步驟。本研究采用GTL裝置利用太陽(yáng)能合成氣制取甲醇。FT合成煤油是用在兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)裝置中獲得的太陽(yáng)能合成氣進(jìn)行的，使用相同的太陽(yáng)能反應(yīng)堆設(shè)計(jì)：4kW的熱太陽(yáng)能反應(yīng)堆原型運(yùn)行在高通量太陽(yáng)模擬器中，放大的50kW熱太陽(yáng)能反應(yīng)堆運(yùn)行在太陽(yáng)塔中。顯然，這個(gè)過(guò)程沒(méi)有必要去除任何雜質(zhì)(例如硫化物、鹽、重金屬等等)，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程就像從石油中提取的碳?xì)浠衔锏那闆r一樣。此外，與化石氣體燃料相比，F(xiàn)T基氣體燃料的燃燒顯示出煙塵排放的顯著減少的特性，而且FT基氣體燃料不含芳香和硫，滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM7566的要求，可以作為航空燃料。在某些方面，太陽(yáng)能航空燃料目前的狀態(tài)可以與大約20-30年前的太陽(yáng)能電池相提并論。首先，它比化石煤油貴得多。其次，目前還不清楚它是否會(huì)實(shí)現(xiàn)低成本。第三，它在可持續(xù)航空燃料市場(chǎng)面臨其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，例如目前比較成熟的生物煤油，但由于對(duì)環(huán)境的影響和有限的可耕地面積，最終限制了生物煤油的長(zhǎng)期的推廣應(yīng)用。根據(jù)其他可再生能源政策的經(jīng)驗(yàn)，專門針對(duì)技術(shù)的直接支持機(jī)制可以有效地刺激對(duì)太陽(yáng)能航空燃料的投資。https://www.nature.com/articles/s41586-021-04174-y
