隨著氣候變化從危機走向緊急，航空業似乎將無法實現2050年的凈零排放目標。在大流行病之前的五年里，美國四大航空公司 —— 美國航空公司、達美航空公司、西南航空公司和聯合航空公司的噴氣燃料使用量增加了15%。盡管發動機效率不斷提高，但預計這一數字將繼續上升。

然而，太陽能燃料帶來了一線希望。蘇黎世瑞士聯邦理工學院（ETH）的科學家和工程師首次報告了太陽能煤油綜合燃料生產廠的成功示范。利用集中太陽能，他們能夠從水蒸氣中生產煤油，并直接從空氣中生產二氧化碳。由此產生的燃料是化石燃料的替代品，可以與現有的儲存和分配基礎設施以及發動機一起使用。

由合成氣（syngas）衍生的燃料 —— 是一氧化碳和氫氣的特定混合物的中間產品，是傳統化石衍生燃料的已知替代品。合成氣由Fischer-Tropsch（FT）合成產生，在該合成過程中，化學反應將一氧化碳和水蒸氣轉化為碳氫化合物。ETH的研究團隊發現，利用金屬氧化物氧化還原循環，利用太陽能驅動的熱化學方法分解水和二氧化碳，可以產生可再生的合成氣。2019年，他們在ETH機器實驗室的屋頂太陽能精煉廠演示了該過程。

目前的試點規模的塔式太陽能電站是在西班牙IMDEA能源研究所建立的。該研究負責人、ETH工程教授Aldo Steinfeld說，它將2019年實驗的太陽能反應堆放大了10倍。該燃料廠將三個子系統結合在一起：太陽能塔濃縮設施、太陽能反應堆和氣液轉換裝置。

首先，由反射鏡組成的定日鏡場隨太陽旋轉，將太陽輻射集中到安裝在塔頂的反應堆中。反應器是一個空腔接收器，內襯由氧化鈰（cerium（IV） oxide）制成的網狀多孔陶瓷結構。在反應器內，集中的陽光創造了約1500°C的高溫環境，溫度足以將捕獲的二氧化碳和水從大氣中分離出來，生成合成氣。最后，合成氣在氣液裝置中加工成煤油。集中控制室操作整個系統。

使用這種方法生產的燃料關閉了燃料碳循環，因為它只產生與其制造過程中所產生的二氧化碳一樣多的二氧化碳。“目前的試點燃料廠仍然是一個用于研究目的的示范設施，”Steinfeld說，“但它是一個完全集成的工廠，使用的太陽能塔配置規模與工業實施相關。”

“太陽能反應器產生的合成氣具有適合于FT合成的選擇性、純度和質量。”作者在論文中指出。他們還報告了多個連續循環的良好材料穩定性，并觀察到太陽能與合成氣的能源效率為4.1%，Steinfeld表示，這是熱化學燃料生產的創紀錄值，盡管需要更高的效率才能使該技術具有經濟競爭力。

“能量轉換效率的測量值是在沒有實施任何熱回收的情況下獲得的，”Steinfeld說。反應器氧化還原循環中排出的熱量占太陽能輸入的50%以上。“這一部分可以通過溫躍層儲熱進行部分回收。熱力學分析表明，顯熱回收有可能將能源效率提高到20%以上。”

ETH ZURICH

為了做到這一點，需要做更多的工作來優化反應堆內襯的陶瓷結構，ETH團隊正在積極研究這一問題，通過研究3D打印結構來提高體積輻射吸收。“此外，替代材料成分，即鈣鈦礦或鋁酸鹽，可提高氧化還原能力，從而提高每質量氧化還原材料的比燃料輸出，” Steinfeld補充道。

他說，研究人員面臨的下一個挑戰是擴大他們的技術，以獲得更高的太陽輻射功率輸入，可能使用太陽能塔頂部的太陽能腔體接收器模塊陣列。

為了將太陽能煤油引入市場，Steinfeld設想了一個基于配額的系統。他說：“航空公司和機場將被要求在其飛機上的噴氣燃料總量中，至少要有可持續航空燃料的份額。”這看起來是有可能實現的，因為太陽能煤油可以與化石煤油混合。

與此同時，配額的增加將帶來投資，降低成本，最終用太陽能煤油取代化石煤油。“當太陽能噴氣燃料達到噴氣燃料總量的10%至15%時，我們應該能夠看到太陽能煤油的成本接近化石煤油，”他補充道。

據悉，這一切我們可能不必等待太長時間了。Steinfeld實驗室的商業分支之一，Synhelion，正在致力于在2023年啟用第一個工業規模的太陽能燃料工廠。該公司還與瑞士航空公司合作，單獨使用其太陽能煤油進行飛行。