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利用5000平方公里沙漠建设光热系统可满足全球航空燃料需求!

光热发电  来源:CSPPLAZA光热发电平台    2020/4/24 8:09:52  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:2019年,全球共消耗了3亿吨由化石燃料为原料制造的航空燃料。但在全球面临碳排放压力的大能源背景下,如何生产出低碳甚至无碳的航空燃料已被人类列上日程。

(来源:微信公众号“CSPPLAZA光热发电平台”)

目前,一家瑞士初创企业Synhelion正在加速推进两条太阳能航空燃料路线的商业化(太阳能重整法与100%无碳技术),该技术未来会对长途空运和海运等运输行业产生重要影响。

该技术基本原理为:利用大面积的聚光镜场搜集太阳能热能,然后在一个反应器中催化二氧化碳和水分子重新排列合成可制成航空燃料的碳氢化合物。

由于需要巨大的太阳能聚光镜场,按照科学家们的设想,类似项目更首选建设在阳光充足的沙漠地区。那么,多大面积的沙漠可以满足全球航空燃料的使用需求呢?

太阳能重整:5000平方公里;100%无碳技术:50000平方公里

太阳重整技术路线为Synhelion公司计划先推出的一条太阳能转化路线——即基于目前相对成熟的甲烷源二氧化碳合成燃料技术进行太阳能重整,从而尽快生产出可推向市场的相对低碳的太阳能燃料产品(碳排放可降低50%)。

按照计划,Synhelion到2030年将运营100个基于太阳能重整技术的太阳能燃料项目,每个项目可年产500万吨太阳能燃料。针对该品类燃料的商业推广将于2022年开始,预计每升燃料成本在50美分到1美元之间。

根据Synhelion首席技术官Philipp Furler的说法,如果这100个每年生产500万吨太阳能转化燃料的设施都在世界上同一个地方,那么总的土地需求量将约为80平方公里。而要在一个太阳能改造项目上生产出每年300兆吨的全球需求量,则需要大约5000平方公里。

如果采用100%无碳技术(完全由二氧化碳和水制成,计划2030年实现),由于反应过程需要更高的温度(1500℃左右),因此需要更多的空间来搜集太阳热能。

按照Philipp Furler计算,如果使用纯H2O/CO2裂解产生的二氧化碳中性燃料来满足全球航空燃料需求,需要大约50000平方公里土地。

以澳大利亚为例,如果一家“太阳能炼油厂”利用太阳能从空气中捕获的二氧化碳+水制造出全世界所需的所有航空燃料——全部集中在一个地点,那么镜场可以从Paraburdoo一直延伸到西澳大利亚沙漠中的Capricorn。

Philipp Furler表示,在一个国家建太阳能炼油厂来满足全球需要并不现实,有合适条件的国家可以选择首先满足本国需求,这种项目将来有望分布在世界各地光资源优越的地区。

哪些国家/地区更适合建设?

目前来自德国Bauhaus Luftfahrt研究实验室的Christoph Falter正在与Philipp Furler密切合作,开展太阳能航空燃料厂适合建设区域的相关研究。

Christoph Falter与团队发布的最新一篇论文《太阳能热化学喷气燃料生产的地理潜力》便揭示了哪些国家适合发展该技术,充分考虑到了光资源、燃料运输的沿海通道以及是否有足够的适用土地资源等因素。

研究发现,许多国家都具备利用该技术满足本国的航空燃料需求并履行减少温室气体排放承诺的条件,同时大约10个国家具备满足全球航空燃料需求的发展潜力,其中一些国家的潜在产能甚至可以超出全球需要。

比如澳大利亚的潜在产能便可以达到目前全球需求的18倍;像阿尔及利亚和沙特阿拉伯这样的沙漠国家潜在产能可以达到目前全球需求的4-5倍;而美国仅西南部的潜在产能可以达到目前全球需求的2.5倍左右。

Christoph Falter表示:“这一切都可以在一个国家完成,可以在一个相对较小的沙漠等非农田地区生产大量的低碳或无碳航空燃料,同时项目也并不需要靠近城市,这样就不会打扰很多居民。”

成本为是否适合建厂的重要参考指标

据悉,关于该技术的发展计划主要基于预期可实现较高的太阳能反应堆效率,热化学转化效率至少需要达到15%以上才能使太阳能航空燃料生产成本具备竞争力,而更高的效率则将进一步降低成本。

据测算,假如美国利用该技术来满足自身的航空燃料需求(每年7.7亿吨),一旦效率达到15%,燃料成本将低于2欧元/升。

据Philipp Furler此前向海外媒体透露,该公司研发团队已将太阳能反应堆的效率从五年前的1%提升至5%,同时根据相关试验测试,他相信未来可以实现20%以上的反应堆效率,从而使生产出的太阳能燃料更加经济。

同时,除了光资源和土地资源,金融基础设施完备与否也极大影响该类项目的开发建设。

Christoph Falter表示,生产成本无疑是是否适合建厂的关键指标,如果在美国或澳大利亚阳光明媚的地区建厂便可以更便宜地生产燃料,因为在这些国家融资更加便宜。

虽然澳大利亚国内对喷气燃料的需求很小,但西部沿海沙漠空旷,是最适合为全球需求提供100%太阳能喷气燃料的地区之一。Christoph Falter指出,如果太阳能反应堆效率达到15%,澳大利亚生产的燃料成本将低于2.1欧元/升,效率达到25%时成本则略高于1.7欧元/升。

据测算,如果把太阳能反应堆效率从15%提高到25%,生产成本就将降低20%左右。在基准情况下,全球航空燃料需求可以以1.58至1.83欧元/升的成本支付,而生产地点则在南美、美国和地中海地区。

此外,研究人员在充分考虑包括贷款利率、通货膨胀率和当地的财政状况等因素的条件下,比较了每个国家生产其国内喷气燃料需求的成本。

据论文,基准案例始于以色列和智利的最低生产成本,这两个国家的名义加权平均资本成本都相对较低,分别约为5%和7%,通胀率接近0%和3%(2013-2017年)。尽管在地中海地区没有最好的太阳能资源,但以色列通过其有利的低资本成本实现了非常低的生产成本。另一方面,埃及拥有该地区最好的太阳能资源,其名义加权平均资本成本高出23.3%,通货膨胀率高达12.3%,这导致生产成本过高。

而在资本成本较高的地区,糟糕的金融环境将抵消光资源和土地资源的优势。

研究表明,虽然非洲南部太阳辐射数据也相对较高,从技术角度来说这一区域非常合适,而且生产潜力超过了南美洲选定国家的生产潜力。但是,该区域的国家资本成本普遍较高,博茨瓦纳最低的名义加权平均资本成本为8.8%,南非和纳米比亚约为13%,安哥拉高达18.4%。

据此测算,博茨瓦纳的生产成本为2.13欧元/升,而纳米比亚和南非的生产成本最低,分别为2.51欧元/升和2.53欧元/升。安哥拉的资本成本非常高,无法生产低于4.8欧元/升的太阳能喷气燃料。因此,在非洲南部,利用博茨瓦纳最好的项目地资源,满足区域需求可以实现2.14欧元/升的平均成本,满足全球需求成本约为2.32欧元/升。

研究认为,与其他可再生燃料生产途径不同,太阳能热化学途径在资源与成本下降潜力方面均具有一定优势,以相对恒定的成本生产几乎无限量的航空燃料非常可期。

原标题:你没看错!利用5000平方公里沙漠建设光热系统可满足全球航空燃料需求!

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