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近日(ri)，在《太陽能(neng)雜志》上的(de)一項(xiang)研究中，來自麻(ma)省理工學院（MIT）的(de)工程師們提出了一個(ge)系統的(de)概念設(she)計，該系統可以有效地(di)產生“太陽能(neng)熱化學氫”。

該(gai)系統利用太陽的熱(re)量直接分解水(shui)并(bing)產生氫——一種清潔的燃料，可(ke)以為長途卡車、輪船和飛機(ji)提(ti)供動力，同時在這個過程中不會排放溫室氣體。

如今，氫氣(qi)主要是通過涉及(ji)天然氣(qi)和其他化石燃料(liao)的(de)過程生(sheng)產的(de)，這使得(de)從生(sheng)產開始到最終使用，這種原(yuan)本綠(lv)色的(de)燃料(liao)更像(xiang)是一種“灰色”能源。

相(xiang)比之下，太陽(yang)能(neng)熱(re)化(hua)學氫(STCH)提供了一種完(wan)全零排(pai)放的(de)(de)(de)替代方案，因(yin)為(wei)它完(wan)全依賴可(ke)再(zai)生(sheng)太陽(yang)能(neng)來驅動(dong)氫的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)。但到目前為(wei)止(zhi)，現有(you)的(de)(de)(de)STCH設計效率有(you)限：只(zhi)有(you)大約7%的(de)(de)(de)入射陽(yang)光被用來制(zhi)造氫氣。迄今(jin)為(wei)止(zhi)的(de)(de)(de)結果是(shi)低產(chan)量和(he)高(gao)成本(ben)。

麻省理工學院的(de)(de)研究小組估計，他們的(de)(de)新設計可(ke)(ke)以(yi)利用(yong)高達40%的(de)(de)太陽熱量來產(chan)生更多的(de)(de)氫氣，這是實(shi)現太陽能燃料的(de)(de)一(yi)大步(bu)。效率的(de)(de)提(ti)高可(ke)(ke)以(yi)降(jiang)低系(xi)統的(de)(de)總體成本，使STCH成為一(yi)個(ge)潛在的(de)(de)可(ke)(ke)擴展的(de)(de)、負擔得起(qi)的(de)(de)選(xuan)擇，以(yi)幫助運輸行業脫(tuo)碳。

該研究的主要作者、麻省理工(gong)學(xue)院羅納德(de)·C·克蘭(lan)機械工(gong)程教(jiao)授艾(ai)哈(ha)邁(mai)德(de)·高尼姆說：

“我們認為氫是未來的(de)燃料，我們需要(yao)廉價、大(da)規模地生產氫。”

“我(wo)們正在努力實現能源(yuan)部(bu)的目標(biao)，即到2030年以每公斤1美元的價格(ge)生產綠色氫。為了提高(gao)經濟效益(yi)，我(wo)們必(bi)須(xu)提高(gao)效率，并確保我(wo)們收集的大部(bu)分太陽能用(yong)于生產氫氣。”

高尼(ni)姆的(de)學(xue)生即該論文的(de)第一作者是(shi)麻(ma)省理工學(xue)院博士后Aniket Patankar；參(can)與者包括(kuo)：麻(ma)省理工學(xue)院材料科學(xue)與工程教授Harry Tuller；滑(hua)鐵(tie)盧(lu)大(da)學(xue)的(de)Xiao-Yu Wu；以及韓國梨(li)花女子大(da)學(xue)的(de)Wonjae Choi。

太陽能光熱發電站

與其他提出的(de)設計(ji)類(lei)似，麻省理工學院的(de)系(xi)統將與現有的(de)太(tai)陽能熱源相結(jie)合，比如(ru)聚光太(tai)陽能發(fa)電廠(CSP)——一個由(you)數百面鏡(jing)子(zi)組(zu)成的(de)圓形陣列，收(shou)集陽光并將其反射到中央接收(shou)塔，然后STCH系(xi)統吸收(shou)接收(shou)器的(de)熱量并引導其分解水并產(chan)生氫氣。這個過程與電解非常不(bu)同，電解使用電而不(bu)是(shi)熱來分解水。

概念性STCH系統的核心是兩步(bu)(bu)熱化(hua)(hua)學反應。在(zai)第一步(bu)(bu)中(zhong)(zhong)(zhong)，水以(yi)(yi)蒸汽(qi)的形式暴露在(zai)金屬(shu)中(zhong)(zhong)(zhong)。這(zhe)(zhe)(zhe)使得(de)金屬(shu)從蒸汽(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)吸收氧(yang)氣，留下氫氣。這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)金屬(shu)“氧(yang)化(hua)(hua)”類似于鐵在(zai)水中(zhong)(zhong)(zhong)的生(sheng)(sheng)銹(xiu)(xiu)，但(dan)發生(sheng)(sheng)的速度要快得(de)多。一旦氫被分離，氧(yang)化(hua)(hua)(或生(sheng)(sheng)銹(xiu)(xiu))的金屬(shu)在(zai)真空中(zhong)(zhong)(zhong)重(zhong)(zhong)新加熱，這(zhe)(zhe)(zhe)可(ke)(ke)以(yi)(yi)逆轉生(sheng)(sheng)銹(xiu)(xiu)過程(cheng)并(bing)使金屬(shu)再生(sheng)(sheng)。除去(qu)氧(yang)氣后，金屬(shu)可(ke)(ke)以(yi)(yi)冷(leng)卻并(bing)再次(ci)暴露在(zai)蒸汽(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)以(yi)(yi)產(chan)生(sheng)(sheng)更(geng)多的氫。這(zhe)(zhe)(zhe)個過程(cheng)可(ke)(ke)以(yi)(yi)重(zhong)(zhong)復數百次(ci)。

麻省理工學院的(de)系統旨在(zai)(zai)優化這一過程(cheng)。整個系統就像一列在(zai)(zai)圓形軌(gui)道(dao)上運(yun)行的(de)箱形反應堆列車(che)。在(zai)(zai)實(shi)踐中，這條軌(gui)道(dao)將被(bei)設置(zhi)在(zai)(zai)太(tai)陽能(neng)熱源周圍(wei)，比如CSP塔。列車(che)上的(de)每個反應堆都(dou)將容納經過氧化還原或可逆生(sheng)銹過程(cheng)的(de)金(jin)屬。

每個(ge)反應堆將(jiang)首先通過一個(ge)熱站，在(zai)那(nei)里它(ta)將(jiang)暴露在(zai)高達(da)1500攝氏度的(de)太陽熱量(liang)下，這種(zhong)極端(duan)的(de)高溫會有(you)效地(di)將(jiang)氧氣從反應堆的(de)金(jin)屬中抽(chou)出。

然后，這(zhe)種金(jin)屬將(jiang)(jiang)處于(yu)“還原”狀態——準(zhun)備從蒸(zheng)汽中(zhong)(zhong)吸收氧氣(qi)。為了實現這(zhe)一目標，反應堆將(jiang)(jiang)轉移(yi)到一個溫度在1000攝氏度左右的較冷的站，在那(nei)里它(ta)將(jiang)(jiang)暴露(lu)在蒸(zheng)汽中(zhong)(zhong)產生氫氣(qi)。

鐵銹和鐵軌

其他類似的(de)(de)STCH概念遇到了一個共同的(de)(de)障礙：如(ru)(ru)何(he)處(chu)理反(fan)應堆在(zai)冷卻時釋放(fang)的(de)(de)熱量。如(ru)(ru)果不回收和再利用這(zhe)些熱量，系統的(de)(de)效率太低，無法(fa)投(tou)入實際應用。

第二個挑戰是如何(he)創造(zao)一(yi)種(zhong)節能的真(zhen)(zhen)空環(huan)境(jing)，使金屬能夠除銹(xiu)。一(yi)些原(yuan)型機(ji)使用機(ji)械泵(beng)產生(sheng)真(zhen)(zhen)空，盡管這種(zhong)泵(beng)對大規(gui)模氫(qing)氣生(sheng)產來說過于耗(hao)能和昂貴。

為了應(ying)對這(zhe)些挑戰(zhan)，麻省理工學院的設計結合了幾種(zhong)節能解決方案。為了回收大(da)部分原本(ben)會(hui)從(cong)系統中逸出的熱(re)量，環形軌道兩側(ce)的反應(ying)堆被允許通(tong)過(guo)熱(re)輻射交(jiao)換熱(re)量；熱(re)反應(ying)堆冷卻，而冷反應(ying)堆加熱(re)。這(zhe)使熱(re)量保持在系統內。

研究人員還增加了(le)第二組(zu)反(fan)應堆，它們將(jiang)(jiang)圍繞第一列火車(che)，朝(chao)相反(fan)的(de)方向運(yun)動(dong)。這(zhe)種反(fan)應堆的(de)外部列車(che)將(jiang)(jiang)在通常較(jiao)低的(de)溫度下運(yun)行(xing)，并(bing)將(jiang)(jiang)用(yong)于從較(jiao)熱的(de)內部列車(che)中抽出氧氣，而不需要(yao)高耗能的(de)機械泵。

這(zhe)些(xie)外(wai)部(bu)反(fan)應堆(dui)將攜(xie)帶第二種金(jin)屬，這(zhe)種金(jin)屬也很容易被(bei)氧(yang)化。當它們繞圈時，外(wai)部(bu)反(fan)應堆(dui)會(hui)從(cong)內部(bu)反(fan)應堆(dui)中(zhong)吸收氧(yang)氣，從(cong)而有(you)效(xiao)地消除原始金(jin)屬的(de)(de)銹蝕，而無需使用能源(yuan)密集型真空泵。兩組反(fan)應堆(dui)將連續運行，并產生單獨的(de)(de)純氫和純氧(yang)流。

研究人員對概念設計(ji)進(jin)行了詳細的(de)(de)模擬(ni)，發現(xian)它(ta)將(jiang)顯著提高太陽能熱(re)化學制氫的(de)(de)效率，從之前(qian)設計(ji)的(de)(de)7%提高到(dao)40%。

“我們(men)必須(xu)考慮系統中的(de)每一點能量(liang)，以(yi)及如(ru)何使用(yong)它，以(yi)最大限度(du)地降低成本，”高(gao)尼姆說。“通過這種設計(ji)，我們(men)發(fa)現(xian)一切都(dou)可以(yi)通過來自(zi)太陽的(de)熱量(liang)來提(ti)供動力。它能夠(gou)利(li)用(yong)40%的(de)太陽熱量(liang)來產生氫氣。”

評價與展望

亞利桑(sang)那州立(li)大學化學工程助理教(jiao)授克里斯托弗·穆希(xi)奇(Christopher Muhich)沒有參(can)與這項(xiang)研究(jiu)，他說：

“如果這能(neng)實現，它將(jiang)徹底改變(bian)我們的能(neng)源未來——也就是說，使氫氣生產成為(wei)可能(neng)。”

“制(zhi)造氫(qing)的能力是利用陽光生產液體燃(ran)料的關鍵。”

明年，該團(tuan)隊將建立一個(ge)系統的(de)(de)原型(xing)，他們計(ji)劃在(zai)目前資(zi)助(zhu)該項目的(de)(de)能源部實驗室的(de)(de)集中太陽能發電設施中進(jin)行測試。

當(dang)完全實施后，這個系統將(jiang)被安置在太陽(yang)能中心的一棟小建筑里(li)。

“在這棟(dong)建筑里，可(ke)能有一列(lie)或多列(lie)火(huo)(huo)車，每列(lie)火(huo)(huo)車都(dou)有大約50個反應(ying)(ying)堆(dui)。我們認為這可(ke)能是一個模塊化系統(tong)，你(ni)可(ke)以(yi)在傳送帶(dai)上增加反應(ying)(ying)堆(dui)，以(yi)擴(kuo)大氫氣的(de)生產。”

研究人(ren)員還添加了第(di)二組反應器，將(jiang)繞著第(di)一列火(huo)車(che)循環運行，以相反的方向移動。這些(xie)外(wai)部反應器將(jiang)在通常較低的溫度下(xia)運行，用于(yu)排(pai)出內部反應器中的氧氣(qi)，而無需消耗能源(yuan)(yuan)的機(ji)械泵提供能源(yuan)(yuan)。

這些外部(bu)反應器(qi)將(jiang)攜帶第二種容易(yi)氧(yang)化的(de)金屬(shu)。隨(sui)著它們的(de)循環(huan)，外部(bu)反應器(qi)將(jiang)吸收內部(bu)反應器(qi)中的(de)氧(yang)氣，有效地去除原金屬(shu)的(de)銹，而(er)無需(xu)使用能(neng)耗高昂的(de)真空泵。兩列反應器(qi)將(jiang)持(chi)續運行，并(bing)分(fen)別生成純氫氣和氧(yang)氣。

研究人員對概念設計(ji)進行了詳細的(de)模擬，并發現(xian)它將顯(xian)著提高太陽能熱化(hua)學制氫的(de)效率，從7％提高到40％。

Ghoniem表示：“我們(men)必須考(kao)慮利用系(xi)統(tong)(tong)中的每(mei)一點能量，并(bing)最小(xiao)化成(cheng)本。”在接下來的一年里，該團(tuan)隊將建造(zao)該系(xi)統(tong)(tong)的原型機。

Patankar解(jie)釋道(dao)：“當設計實(shi)際運行時，這個系統(tong)將(jiang)被安置(zhi)在太陽能場站中間(jian)的(de)一(yi)棟小建筑內(nei)。在建筑內(nei)，可能有(you)一(yi)列(lie)或多(duo)列(lie)每(mei)列(lie)約(yue)有(you)50個反應(ying)器(qi)的(de)列(lie)車。我們認為這可以(yi)是(shi)一(yi)個模塊(kuai)化(hua)系統(tong)，可以(yi)通過向(xiang)傳(chuan)送帶(dai)上添加(jia)反應(ying)器(qi)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(xin)和南方科技大學的支持。