未来的能量块,也许是⼀杯甲醇

作者: 李存璞

来源: 返朴

发布日期: 2023-02-15 08:01:06

文章探讨了未来能源的可能性,特别是液态阳光的概念,即利用阳光、水和CO2生产性能稳定、能量密度大、适应国际运输和分发的液态醇类燃料。通过液态醇类燃料的清洁转化和排放CO2的重新循环,最终实现CO2的零排放。液态阳光不仅可以作为未来的能源载体,还可能推动化学工业、材料工业等领域的革新与发展,形成从能量载体到物质原料的多重身份。

能源是现代社会的基⽯。我们⽤能源创造新的物质,各类新材料的应⽤让⼈类的⽣活品质⽇新⽉异;我们消耗能源维持体⾯的⽣活,空调、暖⽓、汽⻋、烹饪等等,让⼈类在任何严苛的环境中优雅⽣活,便利出⾏;我们依靠能源上天⼊地,追逐星⾠⼤海,克服万有引⼒的束缚和海⽔阻⼒的压迫,发现更多的精彩。因此,⽆论对于个体或者国家,地区或者世界,未来的所有理想在很⼤程度上建⽴在充⾜能源的基础之上。

居安思危,因此有很多⼈希望获得⽆穷⽆尽的资源。

地球的能源⼤部分来⾃于太阳。如同《流浪地球》描述的⼀样,太阳的异变对于地球上所有的⽣命来说都会是不可承受之重。按照⽬前普遍被接受的认知,数亿年前到数千万年前地球上的植物通过光合作⽤吸收太阳光的能量,转化为动植物中的有机物,这些有机物经过⼀系列复杂化学/物理变化,转化成了⽯油、煤、天然⽓,成为现代社会主要的能源载体。

太阳能的储存始于数亿年前,转化为了实实在在物质;这些累积的能量通过⽯油、天然⽓管道,或者运煤列⻋被送⾄世界各地,供给社会的⽅⽅⾯⾯,其中⼀部分实实在在的能量载体,被转化为略显虚⽆的电流,成就万千⼈类的梦想。

在能源⽅⾯,⼈类⼀直在啃⽼:啃从地球诞⽣以来所有逝去的⽣命的⽼。会有些羞愧么?尽管“我死之后,哪管洪⽔滔天”,但当能源危机似乎没有那么遥远的今天,我们不得不正视不太远的未来的能源来源。

太阳依旧靠谱,只要它依然照常升起。每年地球从太阳接收到的总能量,远远超过⼈类每年的消耗。如果可以将取之不尽⽤之不竭的太阳能充分利⽤,能源问题将不复存在。⼈们⼀直在努⼒实现这⼀⽬标。事实上,早已被⼴泛采⽤的⽔⼒发电就是对太阳能的间接应⽤:太阳将海⽔蒸发送往内陆,下⾬之后,⼩溪变成河流推动发电机,转化为清澈的⽔电并⼊电⽹。

但⽔电还远远不够。⼈们发展了⻛电、潮汐能发电等技术,进⼀步利⽤间接的太阳能;以及发明了各种太阳能电池,将阳光直接转化为电能并⽹。但上述技术都⾯临着间歇性的问题:即它们依赖稳定的⻛、稳定的潮汐、稳定的光,但地球的⾃转和公转,以及复杂的地理环境,“稳定”这个词与暴躁的太阳能⽭盾的不共戴天。

可持续发展需要稳定,我们要想办法将每⼀天或许并不稳定的阳光累积起来,以实现⼦孙后代的梦想。

当我们想到稳定储能的时候,植物早就想到了。事实上,植物的光合作⽤就是累积阳光的过程,它们吸收CO2,利⽤太阳光把CO2还原为各种有机物,从⽽将阳光储存到了纤维素、淀粉、糖等物质中,让阳光能量有了载体。

所以多种树不就⾏了么?种树很好,但还远远不够。⼀⽚森林中的树⽊会⽼去,当⼀棵树⽼去的时候,它的呼吸作⽤所排放的CO2会超过其能够固定的量——也就是失去了它应有的作⽤。当然我们没有资格要求任何⽣命有作⽤,但除了树⽊会⽼去之外,植物光合作⽤所固定的太阳能使⽤起来也⼗分困难。

善于反向思维的科学家找到了新的突破点。

既然煤、⽯油发电是把物质储存的太阳能转化为电能,输送给千家万户;那不如先将太阳能转化为电能,再储存起来分发给⽤户。但前⾯提到过,不管是直接的太阳能还是间接的太阳能,其间歇性限制了其推⼴应⽤。因此两条路线被逐渐发展成形。

⼀种在间歇发电装置附近建设储能电站,把不稳定的电能转化为电池中的化学能,再并⼊电⽹进⾏分发,即“太阳能-电能-储能-应⽤”路线,简称为“储能路线”;⽽另⼀种,则是将不稳定电能转化为单⼀的、易于应⽤的物质,通过现有⽯油、天然⽓、煤的分发⽅式进⾏分发-发电-输送,即“太阳能-电能-物质-应⽤”路线,简称为“液态阳光路线”。

相⽐储能路线,液态阳光路线或许更加持久。储能路线依赖于储能电站的建设,电站的电池容量可以实现缓冲间歇电能并⽹的⽬标,却难以完成⽣产能源⼯质、作为战略能源储备的任务。战略能源储备,要求即使在严重⾃然灾害、战争、甚⾄是地球⾯临毁灭等极端情况下,依然可以为设备提供能量——⽤物质⽽⾮电⽹供能,显然更加可靠。

中国科学院⽩春礼、张涛、李静海等⼈在2018年提出了液态阳光(Liquid sunshine)的概念,为化⽯燃料枯竭的未来提供了⼀种可能的能源解决⽅案。所谓液态阳光,是⼀整套的能源解决⽅案——利⽤阳光、⽔、CO2⽣产性能稳定、能量密度⼤、适应国际运输和分发的液态醇类燃料,并通过液态醇类燃料的清洁转化和排放CO2的重新循环,最终实现CO2的零排放。

单⼀化学物质⾄关重要。

如同前⾯提到的,现代社会建⽴在各种物质的创造和能量利⽤之上,⽽创造新物质和能量利⽤,都需要单⼀化学物质,⽽⾮组成复杂的混合物。事实上,⽬前从混合物分离出单⼀物质的能量消耗,占到了世界总能耗的10–15%。物质越简单越利于应⽤,这也是推⼴垃圾分类的⼀⼤原因。因此,液态阳光不仅可以作为未来的能源载体,更可能会推动化学⼯业、材料⼯业等领域的⾰新与发展,形成从能量载体到物质原料的多重身份。

尽管我们似乎每天都能听到关于可控核聚变⼜推进⼀步的新闻或者传⾔,但在⼼中引起的波澜远⽐国六汽油的全⾯推⼴、或者进⼊加油站发现只有⼄醇汽油来的⻛轻云淡。可控核聚变等先进技术听起来⼗分科幻,但科幻的另⼀层含义可能是距离遥远,好像总差着50年。液态阳光则务实很多,甚⾄简单到现有的内燃机稍加改造就可以利⽤液态阳光⽣产的甲醇、⼄醇作为燃料推动⻋辆⾏进。

事实上,2020年⾸套千吨级液态阳光示范项⽬已经落地,⽽10万吨级的⼯业化也正在实施过程中。当我们憧憬于充满科幻的未来时,化学家们也正在⼀步⼀步的把⼈类推向明天,以及明天的明天。

⽬前液态阳光的研究和应⽤的难题,在于如何⾼效的把CO2加氢-脱氧还原为醇类分⼦。CO2中本身是⾮极性分⼦,反应活性较弱,但⼈们可以在电极上较为⾼效的把CO2上加上⼀分⼦的H2,从⽽获得甲酸(HCOOH)。

但甲酸能够提供的能量⼗分有限,如何进⼀步的从甲酸分⼦脱氧加氢获得甲醇(CH3OH),才是⽬前学术界的研究热点。可能的突破路线⼀⽅⾯包括利⽤催化剂的设计来拔掉氧原⼦,另⼀类则考虑向⽣命体学习,模拟光合作⽤等⽣物过程实现拔氧脱氢的效果。事实上,在这些研究的当中,⼈⼯智能早已经在发挥作⽤,毕竟从已有的⼈类知识筛选最佳的催化剂/⽣物催化路线,合理⽽⾼效。

但突破性的发展还不能仅仅依赖⼈⼯智能,毕竟所谓“突破性”,本身不就往往意味着脱离传统套路么?化学家的奇思妙想的努⼒已经逐渐把我们推向未来,⽽也正因为这些努⼒,使得在⾯对灾难、战争的时候,我们才不会在能源层⾯受制于⼈,也不会被⼈说“什么档次,⽤的和我⼀样”。

那么在氦闪之前,让我们⼲了这杯液态阳光。

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