可持续航空燃料新突破：利用二氧化碳、水和阳光生产碳中和喷气燃料

近日，瑞士研究人员设计了一种使用水、二氧化碳和阳光来制造航空燃料的生产系统，该系统已在野外现场条件下实施，这一新设计或将助力航空业实现碳中和。

国际能源署的数据显示，全球航空业二氧化碳排放量在过去20年内迅速上升，在2019年达到近10亿吨，相当于全球化石燃料燃烧产生二氧化碳排放量的2.8%。

根据国际航空运输协会（IATA）的数据，如果客运量继续以疫情前的速度增长，未来30年航空排放量增幅将是1990-2019年间的3倍以上。根据相关研究，目前造成气候变化的人为排放中约有5%归因于全球航空，且这一数字预计还会持续增加。

在各国携手迈向碳中和的大趋势下，航空业减碳行动刻不容缓。正如英国克兰菲尔德大学宇航学院院长伊恩·格雷所称，零碳是航空业的重中之重，需要一系列创新来应对这一挑战。

然而，由于航空业对能源的种类和能量密度要求较高，无法使用一般的清洁能源作为动力源。合成煤油在化学上与化石基喷气燃料相同，一直被认为是航空部门脱碳的最简单方法，然而它的生产成本较高，可持续航空燃料 (SAF) 的生产成本也很高。因此目前，在全球范围内，尚没有可负担的清洁的替代方案可为长途商业航班提供动力。

近日，瑞士研究人员设计了一种使用水、二氧化碳和阳光来制造航空燃料的生产系统，该系统已在野外现场条件下运行。其在《焦耳》杂志上发表的相关论文称，这一新设计或将帮助航空业实现碳中和。

1.一体化碳中和燃料塔

该论文的通讯作者、苏黎世联邦理工学院教授阿尔多·斯坦因菲尔德称，这是首次在完全集成的太阳能塔系统中展示从水和CO2到煤油的整个热化学过程链。以前通过使用太阳能生产航空燃料的尝试大多是在实验室中进行的。

作为欧盟“太阳能燃油”（SUN-to-LIQUID）项目的一部分，斯坦因菲尔德团队开发了一种系统，该系统利用太阳能生产可直接使用的燃料，这些燃料是煤油和柴油等化石衍生燃料的合成替代品。斯坦因菲尔德说，太阳能制造的煤油与现有的航空基础设施完全兼容，可用于喷气发动机的燃料储存、分配和最终使用。它还可以与化石衍生的煤油混合。

该系统由三个单元组成——一个直接空气捕获单元、一个太阳能氧化还原单元和一个气-液单元。第一部分吸入环境空气，并利用吸附作用将二氧化碳和水吸出。然后将它们通过管道输送到第二个单元，在那里利用太阳能来触发化学反应。

抛物面集中器将太阳光以 3,000 倍的倍数聚焦到太阳能反应堆上，产生 1500 °C的温度。反应器内部是一个由氧化铈制成的陶瓷结构，它从进入的二氧化碳和水中吸收氧气，产生氢气和一氧化碳——合成气。

合成气本身可以收集起来使用，也可以通过漏斗输送到第三个装置，在那里它被转化为煤油或甲醇等液态碳氢化合物燃料。

前期的时候，为了测试这个概念，研究人员在建筑物的屋顶上建立了一个小型的 5 kW 试点系统。每天在断断续续的阳光下运行 7 小时，该设备每天能够生产 32 毫升（1.1 盎司）的甲醇。

2017年，该团队开始扩大设计规模，并在西班牙IMDEA能源研究所建造了一座太阳能燃料生产厂。该工厂由169个太阳跟踪反射板组成，每个具有 3 平方米的表面积，将太阳光重新导向位于15米高中央塔顶的太阳能反应器中的一个16厘米的孔。该反应堆平均接收约 50 千瓦的太阳能热能。

图说：IMDEA Energy（西班牙）安装的太阳能塔式燃料厂概览

随后，集聚的能量用于驱动两步热化学氧化还原循环。将水和纯二氧化碳送入基于多孔结构二氧化铈的反应器，将它们同时转化为氢气和一氧化碳，即合成气。因为上述反应都在一个腔室中完成，所以可以调整水和二氧化碳的比例以实时管理合成气的确切成分。

最后，这种合成气被送入塔底的气液转换器 (GtL)，产生含有16%煤油和40%柴油的液相，以及含有7%煤油和40%柴油的蜡相。试验证明铈基陶瓷太阳能反应堆确实产生了足够纯的合成气，可以转化为合成燃料。

图说：通过基于二氧化铈的热化学氧化还原循环分解水和二氧化碳的太阳能反应器示意图

2.燃料产量及未来发展前景

在测试实验中，研究人员运行该系统9天，在天气允许的情况下每天运行6到8个周期。每个循环平均持续53分钟，总实验时间为55小时。在9天时间里，实验性中试工厂总共生产了大约5191升的合成气。但研究人员并没有准确说明合成气加工后变成了多少煤油和柴油，因此我们无法得出这个试验工厂每天产量的确切数字。

该团队表示，系统的整体效率（通过合成气的能量含量占太阳能输入总量的百分比来衡量）在此实施中仅为4%左右，但通过回收和循环更多的热量，并改变二氧化铈的结构，该系统的效率将有希望提高到20%以上。

二氧化铈是太阳能反应堆中最关键的组件，在制造坚固的多孔结构方面取得进一步进展仍然至关重要。替代性的材料成分，例如钙钛矿或铝酸盐，可以在更低、更温和的温度或等温条件下产生足够的氧化还原能力。对腔体几何形状和聚光光学系统的调整，即通过加入二次复合抛物面聚光器，可以进一步提高腔内辐射通量分布的均匀性，从而减轻热应力。扩大太阳能燃料工厂规模的另一种方法是使用一组并排排列的太阳能腔接收器模块，每个模块都连接到蜂窝状结构的六边形聚光器。