清洁太阳能

世界领先的科学家敦促欧盟及其成员国拿出数百万欧元,用于太阳能发电、氢和其他清洁能源的生产,这是解决全球能源需求的唯一可持续长期解决方案。

最近在雷根斯堡举行的国际会议上确定了最有希望最终全面商业化太阳能直接转化为燃料的途径欧洲科学基金会(E欧洲杯线上买球SF).本次会议成立了一个跨学科工作组,向欧盟和各国政府决策者说明对这些技术进行大量投资的理由。

最根本的问题是,到2050年,全球每年的能源消耗总量将至少比目前的14tw水平翻一番,而化石燃料将开始耗尽。使用化石燃料还产生无法接受的二氧化碳水平,造成全球变暖,并对许多领域,如粮食生产造成灾难性影响。

除了太阳能以外,风能等可再生能源以及其他非化石、不可再生的燃料能源——核能,只能弥补这一不足。但这些将无法满足预期的增加的能源需求,当然也不能完全替代化石燃料,即使仅在发电方面。另一个问题是它们不容易产生储存燃料。如果在电力储存方面没有意外的突破,那么对燃料的需求将继续占全球总能源需求的70%左右,特别是在运输、制造和家庭供暖方面。目前,电力仅占全球能源消耗的30%。

然而,太阳能是充足的,因为每小时到达地球表面足够满足世界每年的能源需求。问题在于如何驾驭它。在光合作用中,自然界完善了一种高效而灵活的方式,从孤立的细菌菌落到大型森林,在各种尺度上都能做到这一点。

最近,在理解和模拟这些自然过程方面取得了重大进展,特别是在欧洲,这些进展足以让科学家们相信,他们可以利用这些过程来生产商业规模的燃料。因此,研究的重点应该是从生物系统中汲取灵感,以创造自然和人工太阳能转换系统,从而实现长期稳定和可持续的能源供应。还有一个目标是减少人类的生态足迹,从而提高全球生态能力,使用环境清洁的技术,例如通过循环过程将二氧化碳重新转化为燃料。

欧洲能源论坛特别工作组建议,在欧洲应该进行三个平行的太阳能研究,以产生清洁燃料循环:

  1. 推广和应用目前的光伏技术,直接从太阳辐射产生清洁燃料。
  2. 建造模拟光合作用的人工化学和仿生设备,收集、引导和应用太阳辐射,例如分解水,转化大气中的二氧化碳,从而生产各种形式的环境清洁燃料。
  3. 调整自然系统,直接生产氢和甲醇等燃料,而不是碳水化合物,后者是通过间接低效的过程转化为燃料的。

这三个研究主题将相互重叠,并且都将开展基础研究,阐明植物和含氧细菌在光合作用中将水分解为氢和氧的精确分子机制。这一过程在25亿年前进化而来,通过将大气中的二氧化碳转化为氧气和碳水化合物,创造了动物生存的条件,同时也产生了所有的化石燃料,而人类正以越来越快的速度将其转化为二氧化碳,威胁着灾难性的环境影响。现在,同样的过程再次维系着我们的救赎。

虽然植物和细菌光合作用的主要产物是碳水化合物,但某些藻类和细菌也会产生一些氢,这为通过基因改造提高产量和创造合适的人工系统提供了基础。此外,光合作用还能产生目前工业生产的其他化学物质,如硝酸盐氨基酸和其他对化学工业有高价值的化合物。因此,欧洲的研究项目将寻求开发一种系统,将太阳能直接转化为效率更高的化学物质,提供的前景不仅是生产无限的能源,同时,作为清洁可再生能源的整体推进的一部分,还要固定大气中的二氧化碳,使其浓度回到工业化前的水平。

有相当大的挑战,第一个是模仿自然光合系统的功能,特别是光系统II,植物叶片中的酶复合物,通过一个由四个锰原子和一些钙组成的催化剂将水分解成氢和水。最近在这方面取得了重大进展。ESF头脑风暴会议的参与者将太阳能燃料项目描述为构建“人工树叶”的探索。在欧洲和其他地方,越来越多的人相信,到2050年,我们的很大一部分燃料将来自这些“人造树叶”,为了在这一重要的未来关键技术中获得技术领先地位,我们必须抓紧时间启动关键的使能研究。

http://www.esf.org

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