未來已來 太陽能燃料送飛機上天

2022年05月16日

環保問題日益成為航空業關注的焦點，特別是在減少碳排放問題上。為此，國際民航組織（ICAO）通過了國際航空碳抵消和減排計劃(CORSIA)。CORSIA是第一個全球性行業減排市場機制，航空業也就此成為世界上第一個由各國政府協定採取全球碳中和措施的行業。CORSIA旨在推動航空公司採用合格排放單元（EEU）抵消航空運輸企業2020年後的國際航班碳排放增量。

CORSIA自2021年開始實施，2021年~ 2023年為試驗階段，2024年~2026年為第一階段，2027年~2035年為第二階段，總共為期15年。各航空公司國際航空運輸碳排放量以2019年~2020年平均排放量為基線，此後每年將按國際航空運輸的增長量承擔碳抵消和減排任務。CORSIA試驗階段和第一階段可自願參加，第二階段則強制參加。在CORSIA計劃下，全球航空業將在2050年最終實現碳中和目標。

開發和使用SAF至關重要

航空業要想實現到2050年淨零碳排放的目標，可持續航空燃料（SAF）的開發和使用至關重要。
即使電動、混合動力和氫能源動力飛機項目按計劃完成，機隊的全部轉型也將到2050年以後，所以一些研究機構和高科技公司將目光轉向了太陽能。將太陽能轉化為燃料主要有兩種形式：一種是直接利用光催化劑，在光照下分解水産生氫氣，目前這種形式的太陽能到氫能的能量轉化效率不到2%；另一種是先將太陽能轉化為熱能或電能，再耦合其他技術制造燃料。

瑞士Synhelion公司採用的是第二種技術路徑。該公司認為可持續航空燃料可以與化石燃料混合，因此可以作為替代燃料用于現有飛機和發動機技術。此外，它們還可以通過現有燃料供應基礎設施進行運輸。與化石燃料相比，大多數可持續航空燃料減少了高達80%的二氧化碳排放，電力轉液體（PTL）或太陽能轉液體（STL）過程更是幾乎完全消除了二氧化碳排放。

這一路徑的實踐者頗多。截至目前，全球已有超過45萬架次航班使用了可持續航空燃料；2021年，全球相關企業生産了約1億升可持續航空燃料；全球近50家航空公司有使用可持續航空燃料的經驗……

可持續航空燃料的生産目前有7種技術選擇，都是以利用生物質為中心。可再生電力和太陽能熱能作為新的生産方法也在考慮之中，這兩種方案都需要合成氣（即氫氣與一氧化碳的混合物）作為中間體，然後採用工業上的氣轉液過程將其轉化為液體燃料。

太陽能燃料橫空出世

“目前，市場上只有生物燃料可用，但産量有限。”漢莎航空集團企業排放管理和可持續航空燃料部門負責人簡·佩赫斯坦表示。電力轉液體和太陽能轉液體技術即將推向市場，人們將在未來5年內看到第一批對其進行商業運營的工廠。它們的生産能力需要大幅提高，從而使航空業實現減排目標。

瑞士國際航空公司(Swiss International Air Lines,Swiss)和漢莎航空集團(Lufthansa Group)已與蘇黎世ETH拆分公司Synhelion達成戰略合作協議，將太陽能航空燃料推向市場。這將使瑞士國際航空公司成為世界上第一家使用太陽能生産航空燃料的航空公司。

瑞士國際航空公司首席執行官迪亞特解釋說：“我們與Synhelion公司的合作建立在共同的願景之上，即使用太陽能燃料，使常規飛行中的碳中和飛行成為可能。我們感到自豪的是，瑞士國際航空公司將成為世界上第一家使用太陽能生産航空燃料並運行的航空公司。因此，我們與Synhelion公司的合作是長期可持續發展戰略中的一個關鍵因素。通過合作，我們支持創新，並正在積極尋求和促進用于生産可持續燃料的極具前景的技術開發、市場引入和擴大應用。”

Synhelion公司的聯合創始人兼首席執行官菲利普·弗勒博士表示：“我們相信並期待一個由氣候友好型運輸業連接起來的新世界。我們的下一代太陽能航空燃料是一種在經濟上和生態上可行的化石燃料替代品。瑞士國際航空公司和漢莎航空集團的承諾突顯了航空業對太陽能燃料的濃厚興趣，期待瑞士國際航空公司的飛機搭載我們的太陽能燃料起飛。”

成為實現碳中和飛行的途徑

Synhelion公司開發了利用可再生能源生産可持續航空燃料的關鍵技術——塔式光熱技術。這一獨特過程使用集中的太陽能制造合成氣，然後通過標準的工業過程將其合成煤油。這終結了燃料碳循環，這種新燃料對有效實現航空運輸業脫碳作出了重大貢獻。

Synhelion公司使用一個充滿定日鏡的陣列場地來反射太陽能的輻射。當太陽照耀時，太陽光輻射被鏡場反射，集中到接收器上，産生高達1500攝氏度的高溫，高溫變成清潔的熱量。接下來，通過標準的費托工藝等氣轉液技術，産生的熱量在熱化學反應器中被轉化為二氧化碳與水的混合物，最終産品即合成氣通過氣體轉化為液體的技術過程被轉化為汽油、柴油或航空燃料。該裝置還包括熱能儲存（TES），使燃料能夠全天候生産。太陽能是目前最便宜的可再生能源，將太陽能轉化為航空燃料的裝置不需要接入電網，它們是由獨立模塊配置和建造的，這意味著産能可以快速提高。

為了加快發展，Synhelion公司正在德國的Brainenergy Park Jülich建造一個太陽能燃料工廠。該工廠計劃于2023年投産並開始生産燃料。

Synhelion公司的目標是到2025年每年生産50萬升燃料，5年後增加到每年8.75億升，以滿足瑞士約一半的航空燃料需求；到2040年每年生産500億升，以滿足歐洲一半的航空燃料需求。

Synhelion公司的聯合創始人吉安盧卡·安布羅塞蒂說：“太陽能燃料的好處在于它們是一種臨時燃料。因此，我們可以利用現有燃料供應設施。我們預計，到2030年，生産成本將低于每升1歐元。要産生全球影響，太陽能燃料必須與化石燃料競爭。”

Synhelion公司已經將目光投向了更遠的未來，並開發了生産合成氣的一係列反應堆技術，這有助于公司滿足不斷變化的客戶需求和法律要求。

在第一批工廠中，Synhelion公司將使用水以及生物來源的二氧化碳和甲烷作為原料，進行太陽能驅動反應，以生産航空燃料。與此同時，Synhelion公司還在開發實現二氧化碳和水的純熱化學分解的反應堆技術。然而，無論解決方案是什麽，高溫太陽能都是生産的核心。

安布羅塞蒂說：“太陽能是世界上最豐富、分布最均勻的可再生能源。我們的太陽能技術通過直接利用太陽能熱量最大限度地減少能量轉換步驟，而不是通過可再生電力繞道，從而最大限度地提高燃料生産效率。”

熱能存儲比電能存儲便宜得多，也更環保，可以一天24小時使用它並全天生産燃料，這對于生産合成燃料也非常重要。對于工業生産設施來說，其不能每天啟停，需要連續運行。

（本文由中國民用航空局國際合作服務中心王堪林編譯）

延伸閱讀

新能源助力航空業可持續發展戰略

Synhelion公司由瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）于2016年成立。最初，蘇黎世聯邦理工學院科研人員是在學院地處市中心的一個屋頂上運行一套小型太陽能煉油示範裝置。經過兩年的可行性研究，科研人員表示，他們的示範性太陽能燃料生産設備已經證實了這一生産過程的“穩定和可靠”，這套裝置在一天7小時的工作時間內可以生産32毫升甲醇。盡管轉化效率不高，但代表了該技術的世界最高水平。

這一研究結果發表在《自然》雜志上。隨後，蘇黎世聯邦理工學院成立了Synhelion公司，致力于利用太陽能生産燃料，使航空運輸業實現減排目標。該公司稱擁有專門技術，可把鏡面反射收集到的太陽光耦合熱能用于現有多個工業熱處理、分解等過程，進而制造燃料、水泥等。Synhelion公司已與漢莎航空集團、瑞士國際航空公司、蘇黎世機場等開展合作。

對于蘇黎世聯邦理工學院和Synhelion公司的研究進展，分析人士表示，“集成裝置設計是此次研究的亮點之一，盡管規模較小，但讓人們更加直觀地意識到水和二氧化碳變成燃料的可行性”。
值得注意的是，蘇黎世聯邦理工學院與我國研究機構也建立了合作關係。相關分析人士指出，在大規模意義上，如何以最小的能量代價把水和二氧化碳重新變成碳氫燃料是一項巨大挑戰。

中科院院士、中科院大連化學物理研究所研究員李燦團隊研發的“液態陽光”技術也是轉化太陽能的探索之一。該技術通過光伏捕獲太陽能，後續結合電解水制氫、二氧化碳加氫制甲醇技術，將太陽能以液態燃料甲醇形式儲存並利用，可使太陽能到液體燃料甲醇能量轉化效率高于14%。

業內人士表示，電難以儲運，液態的甲醇卻能輕易做到。“液態陽光”技術與傳統煤制甲醇工藝在化學反應上是一樣的，但來源不同。後者由煤轉化而來，按照傳統工藝，生産1噸甲醇排放2噸~3噸二氧化碳；“液態陽光”甲醇可利用間歇的風、光發電，經過分解水制綠氫，與二氧化碳進行反應合成，在規模消納可再生能源的同時，還可以帶動其他工業過程減碳。

目前，首個千噸級規模化示範工程已在蘭州成功完成並通過鑒定，現在正在籌劃上馬10萬噸級工業化生産項目。“生産1噸‘液態陽光’甲醇可消納6000多度電，一家規模在百萬噸級的甲醇合成企業可存儲60億度電，儲能潛力巨大”。（本文由中國民用航空局國際合作服務中心王堪林編譯）

 

新聞來源 ：《中國民航報》

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