未来已来：太阳能燃料送飞机上天

　　环保问题日益成为航空业关注的焦点，特别是在减少碳排放问题上。为此，国际民航组织(ICAO)通过了国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA)。CORSIA是第一个全球性行业减排市场机制，航空业也就此成为世界上第一个由各国政府协定采取全球碳中和措施的行业。CORSIA旨在推动航空公司采用合格排放单元(EEU)抵消航空运输企业2020年后的国际航班碳排放增量。

　　CORSIA自2021年开始实施，2021年-2023年为试验阶段，2024年-2026年为第一阶段，2027年-2035年为第二阶段，总共为期15年。各航空公司国际航空运输碳排放量以2019年-2020年平均排放量为基线，此后每年将按国际航空运输的增长量承担碳抵消和减排任务。CORSIA试验阶段和第一阶段可自愿参加，第二阶段则强制参加。在CORSIA计划下，全球航空业将在2050年最终实现碳中和目标。

　　开发和使用SAF 至关重要

　　航空业要想实现到2050年净零碳排放的目标，可持续航空燃料(SAF)的开发和使用至关重要。

　　即使电动、混合动力和氢能源动力飞机项目按计划完成，机队的全部转型也将到2050年以后，所以一些研究机构和高科技公司将目光转向了太阳能。将太阳能转化为燃料主要有两种形式：一种是直接利用光催化剂，在光照下分解水产生氢气，目前这种形式的太阳能到氢能的能量转化效率不到2%;另一种是先将太阳能转化为热能或电能，再耦合其他技术制造燃料。

　　瑞士Synhelion公司采用的是第二种技术路径。该公司认为可持续航空燃料可以与化石燃料混合，因此可以作为替代燃料用于现有飞机和发动机技术。此外，它们还可以通过现有燃料供应基础设施进行运输。与化石燃料相比，大多数可持续航空燃料减少了高达80%的二氧化碳排放，电力转液体(PTL)或太阳能转液体(STL)过程更是几乎完全消除了二氧化碳排放。

　　这一路径的实践者颇多。截至目前，全球已有超过45万架次航班使用了可持续航空燃料;2021年，在生产这两个字之前增加全球相关企业生产了约1亿升可持续航空燃料;全球近50家航空公司有使用可持续航空燃料的经验……

　　可持续航空燃料的生产目前有7 种技术选择，都是以利用生物质为中心。可再生电力和太阳能热能作为新的生产方法也在考虑之中，这两种方案都需要合成气(即氢气与一氧化碳的混合物)作为中间体，然后采用工业上的气转液过程将其转化为液体燃料。

　　太阳能燃料横空出世

　　“目前，市场上只有生物燃料可用，但产量有限。”汉莎航空集团企业排放管理和可持续航空燃料部门负责人简·佩赫斯坦表示。电力转液体和太阳能转液体技术即将推向市场，人们将在未来5年内看到第一批对其进行商业运营的工厂。它们的生产能力需要大幅提高，从而使航空业实现减排目标。

　　瑞士国际航空公司(Swiss International AirLines, Swiss)和汉莎航空集团(Lufthansa Group)已与苏黎世ETH拆分公司Synhelion达成战略合作协议，将太阳能航空燃料推向市场。这将使瑞士国际航空公司成为世界上第一家使用太阳能生产航空燃料的航空公司。

　　瑞士国际航空公司首席执行官迪亚特解释说：“我们与Synhelion公司的合作建立在共同的愿景之上，即使用太阳能燃料，使常规飞行中的碳中和飞行成为可能。我们感到自豪的是，瑞士国际航空公司将成为世界上第一家使用太阳能生产航空燃料并运行的航空公司。因此，我们与Synhelion公司的合作是长期可持续发展战略中的一个关键因素。通过合作，我们支持创新，并正在积极寻求和促进用于生产可持续燃料的极具前景的技术开发、市场引入和扩大应用。”

　　Synhelion公司的联合创始人兼首席执行官菲利普·弗勒博士表示：“我们相信并期待一个由气候友好型运输业连接起来的新世界。我们的下一代太阳能航空燃料是一种在经济上和生态上可行的化石燃料替代品。瑞士国际航空公司和汉莎航空集团的承诺突显了航空业对太阳能燃料的浓厚兴趣，期待瑞士国际航空公司的飞机搭载我们的太阳能燃料起飞。”

　　实现碳中和飞行的途径

　　Synhelion公司开发了利用可再生能源生产可持续航空燃料的关键技术——塔式光热技术。这一独特过程使用集中的太阳能制造合成气，然后通过标准的工业过程将其合成煤油。这终结了燃料碳循环，这种新燃料对有效实现航空运输业脱碳作出了重大贡献。

　　Synhelion公司使用一个充满定日镜的阵列场地来反射太阳能的辐射。当太阳照耀时，太阳光辐射被镜场反射，集中到接收器上，产生高达1500 摄氏度的高温，高温变成清洁的热量。接下来，通过标准的费托工艺等气转液技术，产生的热量在热化学反应器中被转化为二氧化碳与水的混合物，最终产品即合成气通过气体转化为液体的技术过程被转化为汽油、柴油或航空燃料。该装置还包括热能储存(TES)，使燃料能够全天候生产。太阳能是目前最便宜的可再生能源，将太阳能转化为航空燃料的装置不需要接入电网，它们是由独立模块配置和建造的，这意味着产能可以快速提高。

　　为了加快发展，Synhelion公司正在德国的Brainenergy Park Jülich建造一个太阳能燃料工厂。该工厂计划于2023 年投产并开始生产燃料。

　　Synhelion公司的目标是到2025年每年生产50万升燃料，5年后增加到每年8.75亿升，以满足瑞士约一半的航空燃料需求;到2040年每年生产500亿升，以满足欧洲一半的航空燃料需求。

　　Synhelion公司的联合创始人吉安卢卡·安布罗塞蒂说：“太阳能燃料的好处在于它们是一种临时燃料。因此，我们可以利用现有燃料供应设施。我们预计，到2030年，生产成本将低于每升1欧元。要产生全球影响，太阳能燃料必须与化石燃料竞争。”

　　Synhelion公司已经将目光投向了更远的未来，并开发了生产合成气的一系列反应堆技术，这有助于公司满足不断变化的客户需求和法律要求。

　　在第一批工厂中，Synhelion公司将使用水以及生物来源的二氧化碳和甲烷作为原料，进行太阳能驱动反应，以生产航空燃料。与此同时，Synhelion公司还在开发实现二氧化碳和水的纯热化学分解的反应堆技术。然而，无论解决方案是什么，高温太阳能都是生产的核心。

　　安布罗塞蒂说：“太阳能是世界上最丰富、分布最均匀的可再生能源。我们的太阳能技术通过直接利用太阳能热量最大限度地减少能量转换步骤，而不是通过可再生电力绕道，从而最大限度地提高燃料生产效率。”

　　热能存储比电能存储便宜得多，也更环保，可以一天24 小时使用它并全天生产燃料，这对于生产合成燃料也非常重要。对于工业生产设施来说，其不能每天启停，需要连续运行。

　　延伸阅读：

　　Synhelion公司由瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)于2016年成立。最初，苏黎世联邦理工学院科研人员是在学院地处市中心的一个屋顶上运行一套小型太阳能炼油示范装置。经过两年的可行性研究，科研人员表示，他们的示范性太阳能燃料生产设备已经证实了这一生产过程的“稳定和可靠”，这套装置在一天7小时的工作时间内可以生产32毫升甲醇。尽管转化效率不高，但代表了该技术的世界最高水平。

　　这一研究结果发表在《自然》杂志上。随后，苏黎世联邦理工学院成立了Synhelion公司，致力于利用太阳能生产燃料，使航空运输业实现减排目标。该公司称拥有专门技术，可把镜面反射收集到的太阳光耦合热能用于现有多个工业热处理、分解等过程，进而制造燃料、水泥等。Synhelion公司已与汉莎航空集团、瑞士国际航空公司、苏黎世机场等开展合作。

　　对于苏黎世联邦理工学院和Synhelion公司的研究进展，分析人士表示，“集成装置设计是此次研究的亮点之一，尽管规模较小，但让人们更加直观地意识到水和二氧化碳变成燃料的可行性”。

　　值得注意的是，苏黎世联邦理工学院与我国研究机构也建立了合作关系。相关分析人士指出，在大规模意义上，如何以最小的能量代价把水和二氧化碳重新变成碳氢燃料是一项巨大挑战。

　　中科院院士、中科院大连化学物理研究所研究员李灿团队研发的“液态阳光”技术也是转化太阳能的探索之一。该技术通过光伏捕获太阳能，后续结合电解水制氢、二氧化碳加氢制甲醇技术，将太阳能以液态燃料甲醇形式储存并利用，可使太阳能到液体燃料甲醇能量转化效率高于14%。

　　业内人士表示，电难以储运，液态的甲醇却能轻易做到。“液态阳光”技术与传统煤制甲醇工艺在化学反应上是一样的，但来源不同。后者由煤转化而来，按照传统工艺，生产1吨甲醇排放2吨-3吨二氧化碳;“液态阳光”甲醇可利用间歇的风、光发电，经过分解水制氢，与二氧化碳进行反应合成，在规模消纳可再生能源的同时，还可以带动其他工业过程减碳。

　　目前，首个千吨级规模化示范工程已在兰州成功完成并通过鉴定，现在正在筹划上马10万吨级工业化生产项目。生产1吨“液态阳光”甲醇可消耗6000多度电，一家规模在百万吨级的甲醇合成企业可存储60亿度电，储能潜力巨大。（王堪林）

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