不可再生能源(不可再生能源有哪五种)

出品:科普中国

制作:鹤仙子

监制:计算机网络信息中心

“惟江上清风，与山中明月，耳听目染，无穷无尽。是无尽隐也的创造者”。说这句话的苏轼前辈们，虽有见地，但做梦也没想到清风不仅可以无米之炊，而且还是灵丹妙药。

不久前，中国科学家在实验室首次实现了空气体中的二氧化碳完全合成淀粉分子，为应对粮食危机和气候变化提供了一个很有前景的策略。

无独有偶，近日，瑞士苏黎世联邦理工学院(德语:Eidgensische Technische Hochschule zürich，简称ETH)的研究团队设计了一套利用太阳光和空气体直接生产液态烃或甲醇燃料的设备，为二氧化碳的吸收利用提供了又一条光明之路。

这一成果已经发表在顶级学术期刊《自然》上。据悉，这种装置在日常条件下运行，每天7小时可生产32毫升甲醇。听起来是不是很神奇？接下来就来了解一下。

图片来源：Nature图片来源:自然

从空气体到燃料的奥秘；

位于苏黎世联邦理工学院机器实验楼楼顶的这套闪闪发光的实验设备是今天故事的主角。看外观超值，简约大气，还带太阳伞，很有型。它的内心有表面那么单纯吗？看起来不像，但是有点复杂。

实验装置工艺流程图（图片来源：Nature）实验过程流程图(来源:自然)

但通往简单的道路，真相往往很简单。为了让大家更清楚快捷的了解它的工作原理，这里有一个简单的产生空气体燃料的装置流程图供参考:

图片来源：作者自制图片:作者自制

众所周知，自然界有一个重要的定律，那就是质量守恒。在物质的化学反应过程中，原子的种类不变，数量不增不减，而是重新组合，从一种连接方式变成另一种连接方式，就像一个班换了座位重新分组，打乱重组，但班里的人不变。

如果我们想得到甲醇或其他液态碳氢燃料，制备它们的原料也应该含有同样的元素，即碳、氢和氧。空气体是含有氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳等物质的混合物。二氧化碳的体积分数约为0.04%，水蒸气等杂质约占0.002%。二氧化碳的含量相当可观，并含有所需的元素，这使得生产液体燃料成为可能。经空气体捕集装置收集净化后，可获得相对纯净的二氧化碳(纯度98%)和水(0.2ppm以下的污染物，ppm表示百万分之一)。那么接下来的任务就是将二氧化碳和水转化为燃料。

直接转化比较困难，一个权宜之计是将其制备成合成气，即氢气和一氧化碳，这是制备很多化工原料的原料。该实验装置利用太阳能驱动二氧化碳和水蒸气与氧化铈发生氧化还原反应。二氧化碳和水分别被还原成一氧化碳和氢气，而氧化铈被氧化成氧化铈。产品氧化铈还可以通过吸热还原成氧气和氧化铈，便于回收利用。合成气一氧化碳和氢气再进入反应设备，生成目标产物液态烃或甲醇，即空气体燃料。

操作的实际效果:

这条由空气体制备液体燃料的路线听起来很合理，但实际可行吗？先看输出。研究人员发现，该装置在正常工作条件下每天运行7小时，通过连续17次氧化还原循环，共获得96.2升合成气，可在该装置中进一步加工成甲醇。

该装置测得合成气的单程摩尔转化率为27%，制得的甲醇纯度为65%。

剩余的未转化合成气转化6次后，最终总摩尔转化率为85%。一天运行7小时，得到的纯甲醇量为32毫升，这个输出的燃烧热和一盏功率为9瓦的荧光灯15小时的耗电量差不多。当然，这类设备不仅可以生产甲醇，还可以通过选择特定的合成技术定制其他烃类燃料。

研究人员设想，如果这项成果投入商业应用，将会创造巨大的利润。例如，商业规模的太阳能燃料工厂可以使用10个定日镜。假设每个定日镜收集100兆瓦的太阳辐射热能，系统整体效率η为10%，每天可生产9.5万升煤油，足以为一辆载有325名乘客的空公交车A350提供燃料，从伦敦前往纽约。

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那么这些燃料的质量如何呢？我们来和常规的航空空燃料对比一下。目前生产航空煤油空的常规方式是重油加氢裂化，产品中必然含有空气体污染物，如含硫化合物、含氮化合物、多环芳烃、重金属等。燃烧试验表明，这种太阳能氧化还原装置生产的喷气燃料有害物质排放显著减少，这是一个独特的优势。另外，石油是不可再生能源，可以持续获得空气，长远来看更有前景。

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折腾了一圈的意思:

故事还没有结束。在这种太阳能氧化还原装置中，二氧化碳和水在太阳能的作用下转化为液体燃料，当液体燃料投入使用时，会产生二氧化碳和水。从物质的角度来看，碳排放和消耗是对等的，所以研究者称之为“碳中和的里程碑”。从能量的角度来看，燃料制备过程中的大部分能量来自太阳能，后续的燃料燃烧可以根据需要转化为其他形式的能量，因此相当于清洁能源的间接利用。

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另外，研究员算了一笔账。基于目前太阳能燃料系统的工作性能，当空气体捕集装置的捕集能力达到每年10万吨二氧化碳时，需要4500平方米左右的面积。假设系统的总效率η为10%，这样的太阳能燃料工厂每年将生产大约3400万升燃料。相比之下，2019年全球煤油消费量为4140亿升。要完全满足全球需求，所有太阳能电站的总面积约为4.5万平方公里，仅相当于撒哈拉沙漠面积的0.5%。

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这样看来，太阳能燃料系统由于原料易得、环保、占地面积小，看似容易普及，实际上却面临着挑战。太阳能热化学燃料的初始投资成本非常高。常规航油每升成本通常不超过1美元，而太阳能航油每升成本超过10美元，短期内不占优势。

鉴于此，研究人员有两点考虑。首先，至关重要的是呼吁政策支持，为第一代商业太阳能燃料发电厂创造一个短期市场。二是自我提升，通过规模效应和工艺优化，关键零部件的量产和改进来降低成本，从而提升市场竞争力。

脱碳是一个长期的主题，不是某个地区或某个群体要考虑的事情，而是全人类共同面临的问题。从质量守恒的角度来看，碳虽然不会消失，但可以转化为更有益的存在形式。到目前为止，我们仍然不知道二氧化碳有多大的转化潜力，有多少种可能的用途。这完全取决于人类的想象力，这是创新和变革的源泉。

参考资料:

Sch? ppi，r .，Rutz，d .，D? hler，f .等,《来自阳光和空气的空投燃料》。《自然》(2021)。