如何用太阳能燃料拯救气候

2021-07-09 17:01:26
导读 移动性分析显示:所有车辆中只有一小部分负责大部分行驶里程。我们首先讨论的是在欧洲各地运输货物的长途卡车。如果继续使用化石能源作为燃

移动性分析显示:所有车辆中只有一小部分负责大部分行驶里程。我们首先讨论的是在欧洲各地运输货物的长途卡车。如果继续使用化石能源作为燃料,则几乎不可能充分减少道路交通中的CO 2排放。合成燃料可以为此类应用做出重大贡献。

通过电动汽车、氢汽车和合成燃料,Empa 未来的汽车演示器“move”正在研究在能源系统快速变化的背景下减少道路交通中CO 2 的三种途径。Empa 汽车动力总成技术实验室负责人 Christian Bach 表示:“所有这些概念在能源、运营和经济方面都有优点和缺点。为了以智能方式使用它们,我们需要对整个系统有更深入的了解。” “与我们的‘移动’合作伙伴一起,我们正在努力开发可以付诸实践的知识。”

最新项目的重点是从氢气和 CO 2生产合成甲烷——即所谓的甲烷化。这种用可再生能源合成生产的燃料——因此称为合成燃料或合成气——可以通过传统路线运输,并通过现有基础设施提供。这对瑞士和全球都很有意义,因为它为可再生能源开辟了巨大的潜力。

Empa 开发的甲烷化工艺

甲烷化的基本化学过程被称为 Sabatier 反应已有 100 多年的历史。在“移动”中,将使用在 Empa 进一步开发的另一个过程:所谓的吸附增强甲烷化。Empa 研究人员希望这种新颖的过程工程概念将导致更简单的过程控制、更高的效率和更好的动态操作适用性。

甲烷化的工作原理如下:甲烷 (CH4) 和水 (H 2 O) 是通过二氧化碳(CO 2 ) 和氢气 (H2)的催化转化产生的。然而,水会导致传统工艺出现问题:为了去除水,通常需要连续的甲烷化阶段——中间有冷凝区。由于反应温度高,一部分水通过所谓的水煤气变换反应转化回氢气。因此,甲烷化反应的气态产物含有百分之几的氢气,这会阻止直接进入气体网格;首先必须去除氢气。

空气中的二氧化碳和水

用于甲烷化的二氧化碳以及用于制氢的水是通过 ETH 分拆的 Climeworks的 CO 2收集器直接从大气中提取的。该系统吸入环境空气,CO 2分子仍附着在过滤器上。使用热量(大约 100°C),CO 2分子可以从过滤器中释放出来。Empa 研究人员看到了进一步优化这种 CO 2解吸所需热量的潜力。“制氢和甲烷化都不断产生废热,”巴赫说。“通过巧妙的热量管理,我们希望用这些废热尽可能多地满足 CO 2收集器的热量需求。” 除了 CO 2,Climeworks 工厂还从环境空气中提取水,用于电解装置中的氢气生产。这意味着在没有供水的地区,例如在沙漠中,也可以考虑使用此类植物(见方框)。

除了有关技术和能源方面的新知识外,对合成甲烷的经济效率的洞察也是该项目的主要目标之一。“为了确保这种整体观点,该项目联盟由涵盖整个价值链的合作伙伴组成——从 Empa 研究人员到能源供应商、加油站和车队运营商以及技术和工厂领域的工业合作伙伴,”成员 Brigitte Buchmann 说Empa 董事会成员和“移动”战略负责人。该项目得到了苏黎世州、ETH 董事会、Avenergy Suisse、Migros、Lidl Switzerland、Glattwerk、Armasuisse 和 Swisspower 的支持。

目前,Christian Bach 的团队正专注于研究多孔材料上的水吸附和催化反应的过程控制。该工厂的建设计划于 2021 年年中进行。“大约一年后,我们想为第一辆汽车加油,”布赫曼说,“用太阳能产生的甲烷。”

来自沙漠的合成燃料?

在将我们的能源系统转换为可再生能源时,存在一个重大挑战:太阳能或风能等可再生能源并非随处可见。在冬季,我们的可再生能源太少,而在夏季,北半球的可再生能源太多了。在南半球,情况正好相反。但也有一些地区几乎是连续的阳光——所谓的太阳带,地球上的大沙漠就位于其中。“从全球角度来看,我们在全球范围内的可再生能源并不算太少,而“仅仅是”一个能源运输问题,”克里斯蒂安巴赫说。合成能源载体可以帮助解决这个问题。

瑞士的小型工厂可以利用夏季剩余电力并连接不同的能源部门,为国家能源系统做出宝贵贡献。然而,大型植物首先可以在地球的阳光带中充分发挥其潜力。一个简单的计算就说明了这一点:为了满足瑞士冬季的能源需求,而水力发电无法满足这一需求,以及仅使用(进口)合成能源的所有长途国内交通,需要在沙漠中建造一座太阳能发电厂。面积约700 km 2;即 27 x 27 公里,换句话说,是撒哈拉沙漠面积的 0.008%。水和 CO 2生产所需的物质可以从当地的大气中提取。“可以简单地进一步利用现有的贸易机制、运输基础设施、标准和专业知识,”巴赫说。那么,“移动”中的工厂能否很快成为沙漠中千兆瓦级工厂的模型?

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