太阳能技术可以帮助生产下一代合成燃料

自阿基米德时代以来，聚光太阳能已经取得了长足的进步。根据传说，这位希腊博学的学者用巨大的镜子聚集太阳光，点燃入侵的船只，保护他的家乡锡拉库扎免受罗马士兵的攻击。这是一个几个世纪以来一直激发人们想象力的神话，古代一位伟大的天才利用上天的力量击退了进攻的军队。

今天，太阳能技术已经发展到我们可以用它来为我们的文明提供动力，而不是用它来点燃我们的敌人。聚光太阳能发电(CSP)——一种被称为定日镜的移动镜子跟踪太阳的运动，将其能量集中在太阳能塔中——比光伏发电(PV)更昂贵，也更不常见。然而，它也带来了一些好处，其中之一就是产生的热能可以储存起来或用于发电以外的其他过程。

这就是Synhelion的作用所在。这家瑞士初创公司于2016年从苏黎世联邦理工学院分离出来，利用CSP制造合成燃料，利用极端温度基本上逆转燃烧。如果这项技术能够成功商业化，它将在未来几十年帮助航空和航运等能源密集型交通工具脱碳方面发挥重要作用，用可以直接从稀薄空气中提取的合成类似物取代石油燃料。

Synhelion联合创始人兼首席执行官Gianluca Ambrosetti博士向《工程师》杂志解释说:“当你燃烧燃料时，基本上会产生热量、水和二氧化碳。”“基本上，我们所做的是研究逆转这一过程，最直接的方法是获取二氧化碳和水蒸气，并利用热量来尝试逆转这一过程。”

Synhelion公司的一个根本性突破是开发了一种新型的太阳能接收器，它可以模拟地球的温室效应来促进超高温。来自定日镜的集中光线通过前面的一扇窗户进入接收器的空腔。然后，腔体内部的黑色表面吸收热量，并将其再辐射回腔体，在腔体中，温室气体——通常是水蒸气和二氧化碳的混合物——吸收热辐射，并充当传热流体(HTF)。根据Synhelion公司的说法，接收器可以产生超过1500°C的温度。

安布罗塞蒂说:“这无疑是关键因素之一。“许多过程需要这种温度才能变得可行。用我们的技术可以达到的这些高温是进入我们用于生产燃料的热化学过程的必要步骤。”

太阳能接收器收集的热量被输送到Synhelion的反应堆中，这是一个桶状的容器，中间有一束束的管子。根据工艺的不同，管被注入不同的反应性材料。对于“太阳能升级”，甲烷、水和二氧化碳₂可在800-1300°C转化为合成气。对于完全碳中性的合成燃料，水和二氧化碳₂可在高达1500°C的温度下通过两步热化学循环转化为合成气。

由于太阳能升级是更直接的过程，Synhelion最初将提供的正是这一点，生产的合成燃料的碳足迹大大低于以石油为基础的同类燃料，但仍然会造成污染。随着技术的发展和向净零排放的推进步伐加快，该公司表示，将有可能对其工厂进行改造，仅使用水和环境中的CO就能生产碳中和燃料₂和热。

尽管任何类型的燃料都可以从基本的合成气产品中生产出来，煤油——航空燃料——将是Synhelion公司最初的重点。航空工业正面临着降低碳足迹的压力，但除了最短航程以外，任何航程所需的能量密度都意味着可持续航空燃料(SAF)看起来是最可能实现更绿色天空的途径。Synhelion已经与汉莎航空(Lufthansa)和苏黎世机场(Zurich Airport)建立了合作关系，以帮助其技术融入其中。

安布罗塞蒂说:“航空业在某些方面是典型的例子，因为很明显，电气化在短时间内是不可能实现的。”海运和远洋货轮也是潜在的市场，但目前，我们主要关注航空。”

显然，地理位置在确定CSP的位置方面起着重要作用。晴朗的天气和无云的天空是一天的秩序，使沙漠成为理想的。这种地形不仅为产量最大化提供了炎热和清澈的条件，而且根据定义，沙漠也是不可耕种的，即土地使用受到限制，无法种植作物。

为了更好地说明地点的重要性，中欧每年从太阳获得大约1200千瓦时/平方米的直接正常照射(DNI)。Synhelion估计，为了提高生产效率，工厂需要接收约1800千瓦时/平方米的电力，这意味着只有欧洲最南部的边缘地区才值得商业考虑。在北非、中东和美国西南部的沙漠，DNI数字远远超过2000千瓦时/平方米，使它们成为CSP的主要领域。

“在世界上最好的地方，在智利的阿塔卡马沙漠，你有3700(千瓦时/平方米)，”Ambrosetti说。“这意味着如果我去阿塔卡马沙漠，用同样的工厂和同样的投资，我的产量是中欧的三倍。

“液体燃料的一个重要方面是它们容易运输。所以你不需要离用户太近，我们现在已经在世界各地运送他们，影响很小。”

Synhelion公司面临的最后一个关键难题是热能储存系统(TES)，这是一种高温室，本质上相当于CSP的热电池，可以24小时生产燃料。来自太阳能接收器的多余热量通过传热流体流到储存室，然后HTF在阴天或整个晚上将能量带回反应堆。

“这是我们技术的核心部分，”Ambrosetti说。“它允许连续生产，这对大多数工业过程非常重要。这是关于寻找合适的材料，有稳定性，性能，最后但同样重要的是，成本。因为我们需要大量的这些材料。”

为此，Synhelion正在与瑞士联邦材料实验室Empa合作，为该公司的TES解决方案识别和开发高温陶瓷，该解决方案将于2022年在德国建造的工业示范工厂中使用。下一步的主要计划是在西班牙建立一个商业工厂，其规模是示范工厂的十倍，预计将于2024年投入使用。

可以想象的是，到本十年结束时，太阳能燃料可能会在航空工业中发挥关键作用，甚至可能远远超出其他领域。或者——如果我们仍然以今天同样的速度燃烧化石燃料——就像伟大的阿基米德自己说的那样，我们就完蛋了。

//www.peseonline.com/heliogen-the-bill-gates-backed-startup-hoping-to-use-mirrors-to-power-heavy-industry/