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近日，在《太陽能雜志》上的一項研究中，來自麻省理工學院（MIT）的工程師們提出了一個系統的概念設計，該系統可以有效地產生“太陽能熱化學氫”。

該系統利用太陽的熱量直接分解水并產生氫——一種清潔的燃料，可以為長途卡車、輪船和飛機提供動力，同時在這個過程中不會排放溫室氣體。

如今，氫氣主要是通過涉及天然氣和其他化石燃料的過程生產的，這使得從生產開始到最終使用，這種原本綠色的燃料更像是一種“灰色”能源。

相比之下，太陽能熱化學氫(STCH)提供了一種完全零排放的替代方案，因為它完全依賴可再生太陽能來驅動氫的生產。但到目前為止，現有的STCH設計效率有限：只有大約7%的入射陽光被用來制造氫氣。迄今為止的結果是低產量和高成本。

麻省理工學院的研究小組估計，他們的新設計可以利用高達40%的太陽熱量來產生更多的氫氣，這是實現太陽能燃料的一大步。效率的提高可以降低系統的總體成本，使STCH成為一個潛在的可擴展的、負擔得起的選擇，以幫助運輸行業脫碳。

該研究的主要作者、麻省理工學院羅納德·C·克蘭機械工程教授艾哈邁德·高尼姆說：

“我們認為氫是未來的燃料，我們需要廉價、大規模地生產氫。”

“我們正在努力實現能源部的目標，即到2030年以每公斤1美元的價格生產綠色氫。為了提高經濟效益，我們必須提高效率，并確保我們收集的大部分太陽能用于生產氫氣。”

高尼姆的學生即該論文的第一作者是麻省理工學院博士后Aniket Patankar；參與者包括：麻省理工學院材料科學與工程教授Harry Tuller；滑鐵盧大學的Xiao-Yu Wu；以及韓國梨花女子大學的Wonjae Choi。

太陽能光熱發電站

與其他提出的設計類似，麻省理工學院的系統將與現有的太陽能熱源相結合，比如聚光太陽能發電廠(CSP)——一個由數百面鏡子組成的圓形陣列，收集陽光并將其反射到中央接收塔，然后STCH系統吸收接收器的熱量并引導其分解水并產生氫氣。這個過程與電解非常不同，電解使用電而不是熱來分解水。

概念性STCH系統的核心是兩步熱化學反應。在第一步中，水以蒸汽的形式暴露在金屬中。這使得金屬從蒸汽中吸收氧氣，留下氫氣。這種金屬“氧化”類似于鐵在水中的生銹，但發生的速度要快得多。一旦氫被分離，氧化(或生銹)的金屬在真空中重新加熱，這可以逆轉生銹過程并使金屬再生。除去氧氣后，金屬可以冷卻并再次暴露在蒸汽中以產生更多的氫。這個過程可以重復數百次。

麻省理工學院的系統旨在優化這一過程。整個系統就像一列在圓形軌道上運行的箱形反應堆列車。在實踐中，這條軌道將被設置在太陽能熱源周圍，比如CSP塔。列車上的每個反應堆都將容納經過氧化還原或可逆生銹過程的金屬。

每個反應堆將首先通過一個熱站，在那里它將暴露在高達1500攝氏度的太陽熱量下，這種極端的高溫會有效地將氧氣從反應堆的金屬中抽出。

然后，這種金屬將處于“還原”狀態——準備從蒸汽中吸收氧氣。為了實現這一目標，反應堆將轉移到一個溫度在1000攝氏度左右的較冷的站，在那里它將暴露在蒸汽中產生氫氣。

鐵銹和鐵軌

其他類似的STCH概念遇到了一個共同的障礙：如何處理反應堆在冷卻時釋放的熱量。如果不回收和再利用這些熱量，系統的效率太低，無法投入實際應用。

第二個挑戰是如何創造一種節能的真空環境，使金屬能夠除銹。一些原型機使用機械泵產生真空，盡管這種泵對大規模氫氣生產來說過于耗能和昂貴。

為了應對這些挑戰，麻省理工學院的設計結合了幾種節能解決方案。為了回收大部分原本會從系統中逸出的熱量，環形軌道兩側的反應堆被允許通過熱輻射交換熱量；熱反應堆冷卻，而冷反應堆加熱。這使熱量保持在系統內。

研究人員還增加了第二組反應堆，它們將圍繞第一列火車，朝相反的方向運動。這種反應堆的外部列車將在通常較低的溫度下運行，并將用于從較熱的內部列車中抽出氧氣，而不需要高耗能的機械泵。

這些外部反應堆將攜帶第二種金屬，這種金屬也很容易被氧化。當它們繞圈時，外部反應堆會從內部反應堆中吸收氧氣，從而有效地消除原始金屬的銹蝕，而無需使用能源密集型真空泵。兩組反應堆將連續運行，并產生單獨的純氫和純氧流。

研究人員對概念設計進行了詳細的模擬，發現它將顯著提高太陽能熱化學制氫的效率，從之前設計的7%提高到40%。

“我們必須考慮系統中的每一點能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本，”高尼姆說。“通過這種設計，我們發現一切都可以通過來自太陽的熱量來提供動力。它能夠利用40%的太陽熱量來產生氫氣。”

評價與展望

亞利桑那州立大學化學工程助理教授克里斯托弗·穆希奇(Christopher Muhich)沒有參與這項研究，他說：

“如果這能實現，它將徹底改變我們的能源未來——也就是說，使氫氣生產成為可能。”

“制造氫的能力是利用陽光生產液體燃料的關鍵。”

明年，該團隊將建立一個系統的原型，他們計劃在目前資助該項目的能源部實驗室的集中太陽能發電設施中進行測試。

當完全實施后，這個系統將被安置在太陽能中心的一棟小建筑里。

“在這棟建筑里，可能有一列或多列火車，每列火車都有大約50個反應堆。我們認為這可能是一個模塊化系統，你可以在傳送帶上增加反應堆，以擴大氫氣的生產。”

研究人員還添加了第二組反應器，將繞著第一列火車循環運行，以相反的方向移動。這些外部反應器將在通常較低的溫度下運行，用于排出內部反應器中的氧氣，而無需消耗能源的機械泵提供能源。

這些外部反應器將攜帶第二種容易氧化的金屬。隨著它們的循環，外部反應器將吸收內部反應器中的氧氣，有效地去除原金屬的銹，而無需使用能耗高昂的真空泵。兩列反應器將持續運行，并分別生成純氫氣和氧氣。

研究人員對概念設計進行了詳細的模擬，并發現它將顯著提高太陽能熱化學制氫的效率，從7％提高到40％。

Ghoniem表示：“我們必須考慮利用系統中的每一點能量，并最小化成本。”在接下來的一年里，該團隊將建造該系統的原型機。

Patankar解釋道：“當設計實際運行時，這個系統將被安置在太陽能場站中間的一棟小建筑內。在建筑內，可能有一列或多列每列約有50個反應器的列車。我們認為這可以是一個模塊化系統，可以通過向傳送帶上添加反應器來擴大氫氣生產規模。”

這項工作得到了麻省理工學院機械工程研究與教育中心和南方科技大學的支持。