绿色天空科学的目标是让我们更接近净零航空

通过|4月14日,2021年

降低可持续航空燃料生产技术成本和扩大生产能力的竞赛正在展开。

图片来源:Unsplash网站的安德烈·安德烈耶夫

绿色的天空可以从极光中出现:美丽多彩的,等离子体发射光在地球的天空中显示,这是由来自太阳刺激大气分子的太阳风中的带电粒子引起的。它还可以预示即将到来的雷暴或龙卷风,这种绿色是由光散射和光与混乱天空中的水滴和冰粒相互作用产生的透射效应引起的。在这篇文章中,我介绍了一些最近的蓝天科学,通过净零航空的愿景,让我们的天空变得绿色。

到2050年实现净零航空旅行,预计载客量将达到100亿次,是新兴的环保航空业的崇高目标。只有少数绿色能源技术可以消除全球2.5%的CO2传统航空燃料生产的排放,彻底改变飞行。这两者最有可能是氢和可持续燃料。

由于其与氢相比其非常低的重量能量密度,锂离子电池不被认为是这种作用的严重竞争者,其中氢本身是传统航空燃料的三倍。功率比的高电池重量仅适用于若干公司正在积极开发的非常小的客机。

氢可以为更大的飞机提供燃料。它体积能量密度低,这就意味着它必须经过压缩或低温液化才能获得重力能量密度优势。此外,氢必须安全地储存在飞机上坚固的重型储罐中,为氢燃料电池或氢内燃机提供动力。氢气还需要新的运输、储存和分销基础设施,将生产设施、机场和飞机连接起来。

为了存储相同量的能量,储氢罐必须比可持续航空燃料所需的储气罐大约三倍。氢所需的附加存储空间将意味着更大的平面或更小的有效载荷。较大的飞机需要携带更多的燃料来补偿额外摩擦阻力所产生的能量损失。较小的有效载荷转化为更高的旅行费用。

氢气燃料网零航空需要使用可再生电力产生的水电解。电解目前代表了当前氢气产生的百分之左右。它是主要技术昂贵的四倍;化石甲烷的蒸汽重整。虽然一些公司,包括Hydro-Québec和eni,正在建立电解厂,降低成本,并建立足够的生产能力来满足所有H.2需求预计至少是十年或两年。

航空可持续燃料包括来自CO的生物燃料和合成燃料2。生物燃料是通过对农业残留物和各种废物进行化学处理而产生的。合成燃料是由可再生能源驱动的两个步骤制成的,包括二氧化碳催化加氢制合成气,然后是合成气制碳氢化合物。除了其能量密度优势外,可持续航空燃料可以很容易地集成到机场现有的常规航空燃料基础设施系统中。

包括Neste、Gevo和Velocys在内的几家公司已经在为航空公司提供生物燃料。现有的工厂主要位于欧洲和美国,但产能正在迅速增长,并扩大到包括亚洲在内的其他地区。生物量来源因地点而异。能否有足够的可持续生物量供应来满足预计的全球航空燃料需求是值得怀疑的。

可以通过水和二氧化碳的太阳能热化学分裂来完全避免对电力的需求,以使用金属氧化物氧化还原循环形成合成气,然后加工合成气与液态烃燃料,如煤油,图1.驱动该热化学循环通过集中的太阳能,并在西班牙的IMDEA能量太阳能塔的太阳到液体项目证明,图2(左)。太阳能浓缩技术,如太阳能塔和菜肴,可商购可用于将阳光的能量转化为高温热量,随后随后转化为储存的化学能量以进行环保燃料合成。但是航空燃料的太阳能热化学生产仅为少数小型生产商,如易骨质激活,图2(右)。

图1. H的太阳能热化学分裂2O和有限公司2使用金属氧化物氧化还原循环进入合成气。合成气进一步加工以进入运输燃料。图片来源:PRE ETH苏黎世
图2。(左)从H2O和有限公司2;图片来源:IMDEA能源(右)缩放Synhelion太阳能燃料技术。图片来源:Synhelion

净零航空的挑战将需要扩展可持续航空燃料的生产,以便在2050年下处理500米吨的估计年度需求。而氢气和可持续燃料是主要竞争者,后者对氢气有几个优势。几家公司已经为航空燃料提供生物燃料,但可持续生物量的供应可能限制此选项的规模。

降低可持续航空燃料生产技术成本和扩大生产能力的竞赛正在展开。我们的目标是打破我们对更廉价、更丰富的化石燃料的依赖,加速能源净零的过渡,让我们的天空再次变得绿色。

写的:Geoffrey ozin

多伦多大学太阳能燃料集团,电子邮件:g.ozin@utoronto.ca, 网站:www.solarfuels。uToronto.ca.