由太陽光轉化爲“液體陽光”,不僅消耗二氧化碳,還發電當燃料用

以山愛科學 2024-05-19 06:17:02

自從工業革命以來,就産生了一個無解的矛盾。

社會發展需要消耗化石能源,而燃燒化石能源會釋放大量的二氧化碳,空氣中的二氧化碳多了,就會産生溫室效應。

最後溫室效應會反噬在人類的身上,全球變暖,全球冰塊融化,海平面上升,然後出現各種想不到的極端天氣。

這幾乎就形成了一個完美的閉環。

最開始的時候,科學家們想要解決這個問題,打算從根源上去解決。

發展各種可以代替化石能源的能源,比如風能,太陽能,水能,甚至是核能,生物能來解決這個問題。

但任何能源都不是完美的。

比如風能、太陽能、水能說起來都是清潔能源,但最大的問題是不穩定,今天風大一點,風能出的電就多一點,風太小了幹脆就不發電了。

太陽能還得看天上的雲朵給不給面子,水能也一樣,也有水大水小的問題。

至于核能,就有一個泄露得問題。

面對這個局面,人類的科學家就琢磨出這麽一個方案。

有沒有一種,既能消耗空氣中越來越多二氧化碳,還能代替化石能源的技術,或者能源呢?

這個問題聽起來非常的科幻。

咋可能嗎?

但有想法,科學家就打算試一試。

最終還真就整理出一套理論來,依據這套理論,還真就發展出了全新的技術,實現了預定目標。

那麽這套理論是怎麽做的呢?

簡單的說一下他的流程,首先找到一種清潔能源,那什麽能源最清潔呢?

太陽能,地球上的所有能源和太陽能都有聯系。

而且太陽能無處不在,關鍵是有些地方的太陽能特別的充足,有些地方特別不好。

那麽如果將太陽能給封存在一種物質中,利用這種物質進行運輸,然後使用的時候,再釋放出來進行使用。

說到這裏,很多人感覺這不就是太陽能電池嗎?

不是!因爲在設計這套流程的時候,還有另外一個目的,就是吸收二氧化碳,所以封存太陽能的物質必須有二氧化碳的參與才行。

那麽這件事怎麽去做呢?

首先是在2005年的時候,出現了一種叫做甲醇經濟的概念。

這種概念是想利用甲醇作爲液態燃料,來取代給人類生活制造出很多麻煩的化石能源。

但是依照過去的方法,甲醇的來源就兩個方向,一個是從煤中提取,另一個是從生物質(比如各種樹木,有機垃圾等等)中提取。

而這個甲醇經濟概念有一個新奇點,另辟途徑制作甲醇,利用原子能或者是各種再生能源,將二氧化碳和水進行合成,制作甲醇。

這個新奇點最爲關鍵的是,和上文中提到的利用二氧化碳封存太陽能的想法對上了。

甲醇可是好東西,是基本有機原料之一,還可以當做各種溶解劑,甚至制造農藥,藥品,塑料等等都離不開甲醇。

而且甲醇還是一種燃料,燃燒以後又會生産二氧化碳。

把二氧化碳再次進行捕捉,加水,利用可再生能源再次制作甲醇,進入到新一輪的循環中。

這就相當于形成了一個完整的能源儲存,運輸,使用,制作的鏈條。

所以在2005年甲醇經濟概念提出之後,很多科學家就對這個方向進行了探索。

最終在2018年的時候,就出現了一套更加完善的理論——液態陽光。

什麽意思呢?

其實說道這裏,很多人已經明白了。

首先是利用太陽能從水中提取氫氣,然後將氫氣和二氧化碳進行結合,制作甲醇。

這樣就可以在太陽能多的地方,將太陽能收集起來,運輸到需要的地方進行使用就可以了。

甚至是風能和水能,也可以使用同樣的流程進行運輸使用。

最關鍵的是可以大量的消耗二氧化碳。

這套流程看起來很麻煩的,所以有些人,在看到利用太陽能制作氫氣的時候,就有將氫氣直接進行運輸的想法。

怎麽說呢?

氫氣的安全性能比較差,而甲醛的能量密度不低,同時在存儲運輸,安全都要比氫氣好很多的。

而且最爲關鍵的是,甲醇進行調整之後,同樣可以釋放出氫氣的。

方案有了,想法也有了,接下來就是攻關技術難題了。

液態陽光的難題

從上面的流程來看,首先遇到的問題就是太陽光制作氫氣的問題。

因爲不管制作什麽都是需要消耗能量的,如果封存的太陽能,和消耗的能量相比較懸殊太大,這個液態陽光的制備就沒有什麽價值了。

一開始的時候,利用太陽能將水分解成氫氣和氧氣,在技術上其實是不夠成熟的。

有多不成熟呢?

一百點太陽能用來制作氫氣,能夠封存的太陽能只有五點,這就尴尬了。

然後就是二氧化碳加氫氣制作甲醇。

很多化學反應,反應條件發生變化,就算是反應物沒有一丁點的變化,反應後産生的物質還都不一樣。

所以同樣是二氧化碳和氫氣,反應的結果有可能是甲醇,也有可能是甲烷,甚至能冒出個一氧化碳加水的情況。

這要是在實驗室裏進行反應,各種條件很容易控制,但要是進入到工業化批量生産,技術設備不是很成熟的情況下,出現什麽樣的反應物都是有可能得。

這就需要調整設備,找出更加高效可控的催化劑。

各個國家對于這方面的研究都投入了大量的精力。

比如德國的方案。

他們是讓二氧化碳和水蒸氣,穿過一個太陽能反應器。

這個太陽能反應器,是將金屬氧化物分解成金屬離子和氧離子的一個裝置,這個裝置是需要在兩千度的高溫下,才可以實現分解的。

當然這個兩千度的高溫,可以利用太陽能進行獲取。

所以當二氧化碳和水蒸氣通過這個太陽能反應裝置的時候,就可以和金屬離子、氧離子發生反應。

最終就可以獲得氫氣和一氧化碳的合成氣體。

然後利用這種合成氣體,來制作煤油。

所以這套方法是利用煤油來進行封存,運輸,利用太陽能的。

這套工藝的實驗已經結束,進入到了工藝工業化的階段。

再有就是美國。

美國爲了壓縮成本,想要一步就把二氧化碳和水,變成可以封存,運輸,使用的液態烴。

美國曾經在美國的《國家科學院院刊》上發表過一篇論文,認爲光熱化學流體反應器中,將溫度控制在一百八十到二百度的範圍,然後將壓強提升到0.6兆帕之後。

二氧化碳和水是可以直接進行反應,變成液態烴和氧氣的。

怎麽說呢?

這個世界聽起來簡單的東西,想要實現起來是非常的困難,就像證明1+1等于2一樣。

所以這個想法的科研成果還沒有出來。

那麽中國的液態陽光的發展如何了呢?

在2021年的十月二十一號,中集安瑞科技投資控股有限公司和中科院大連化學物理研究院簽訂了戰略合作協議。

這個協議的內容,就是爲了推進液態陽光中的一個關鍵性的設備,陽光制氫設備,這裏面還包括了加氫站,以及二氧化碳的捕捉設備。

看了這條消息,是不是有一個感覺,這項技術的工業化還要走很長一段時間?

其實不是的,在中國,液態太陽光的技術,早就從實驗室推進到了應用階段了。

早在2020年的一月份,全世界第一套將太陽能轉化爲液態陽光的試車實驗,就已經成功完成,地點就在蘭州新區。

這套試車包括了太陽能發電,電解水制備氫氣,利用氫氣和二氧化碳進行合成甲醇的技術。

其實這個試車過程,經過了很長一段時間,最開始的時間是在2018年的八月份啓動的,到了2020年才試車成功。

最值得稱贊的是,這套試車系統,幾乎可以將所有使用的二氧化碳全部轉化成甲醇,沒有浪費的。

需要說明的是,這次試車是千噸級的。

爲什麽要特別提醒是千噸級的試車呢?

因爲中國要在鄂爾多斯這個地方,打造一個年産十萬噸級的液態陽光項目。

這個項目預計會在2025年建成。

那麽十萬噸的年産量是個什麽概念呢?

十萬噸的甲醇釋放出來的能量相當于六億度電,想想看一年産六億度電,想往哪裏運就往哪裏運。

如果使用不完,就可以儲存起來,想起來再用。

所以實際應用已經開始了,技術上是沒有問題的,就是看小範圍制備的過程中,會有什麽新的難題和發現而已。

說道這裏,回到文章之前出現的一個小細節上。

之前太陽能轉化成氫,一百點能量只能封存五點,這個效率太低了。

那麽目前中國已經在李燦院士的帶領下,與2019年解決了這個問題。

他的團隊開發出來的電解槽,可以利用四度電,電解出一立方的氫氣。

而且這套設備的安全性還很高,可以避免氫氣和氧氣制備出來之後,發生混合引起爆炸的問題。

而二氧化碳加氫氣,制備出甲醇這個環境,早在2017年的時候,就已經實現了技術突破。

技術是好技術,但還有一個問題。

目前來看,液態陽光制作出來的甲醇成本要比傳統方法制作出來的甲醇成本高。

當然這是暫時的,隨著可再生能源發電的成本降低,液態陽光制作出來的甲醇會和傳統工藝制作出來的甲醇成本持平。

不過相比較下來,液態陽光是吸收二氧化碳的,而傳統工藝的制作過程是釋放二氧化碳的,每制作一頓甲醇就要釋放出三四噸的二氧化碳。

相比較起來,還是液態陽光劃算。

液態陽光制作的一噸甲醇,就會吸收1.4噸的二氧化碳。

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