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“使太陽能制氫商業化的最快途徑，或許可以通過太陽能熱化學反應為澳大利亞的銅礦開采業提供制氫、氧和及熱能來實現。”德國DLR太陽能研究中心研究員克里斯蒂安·薩特勒（Christian Sattler）最近對SolarPACES記者表示。

Sattle憑借在德國DLR太陽能(neng)(neng)研(yan)究中心的(de)(de)太陽能(neng)(neng)燃料(liao)研(yan)究工(gong)作經(jing)驗，發現在銅礦開采中使用(yong)的(de)(de)硫(liu)酸處(chu)理工(gong)藝(yi)(yi)與制氫用(yong)的(de)(de)硫(liu)基太陽能(neng)(neng)熱化學工(gong)藝(yi)(yi)之間有(you)著(zhu)協同的(de)(de)聯系，即混合(he)硫(liu)（HyS）技術。

IMAGE DLR硫酸分裂太陽能反應堆

在兩步(bu)法(fa)HyS工藝(yi)中，研(yan)究人員利用高達(da)900℃的高溫太陽(yang)熱分(fen)解(jie)硫酸（H?SO?），通過分(fen)解(jie)水(shui)產生氫(qing)和氧(yang)。而熱量來(lai)自于塔式太陽(yang)能熱發電系統中的太陽(yang)能定日鏡集熱場(chang)；H?SO?分(fen)解(jie)的第一(yi)步(bu)是(shi)將產生三氧(yang)化硫和氧(yang)氣；第二步(bu)，SO?與(yu)水(shui)一(yi)起進入SO?去極化電解(jie)器（SDE），產生氫(qing)氣和新鮮的H?SO?，將其再循環至第一(yi)步(bu)。

與傳統的(de)(de)水電解相比，SDE僅(jin)需要約(yue)1/7的(de)(de)電能(neng)，因此，HyS可以在(zai)相同(tong)的(de)(de)太陽能(neng)輸入下產生(sheng)約(yue)50％的(de)(de)氫氣(qi)。

目前，在德國，澳大利亞，日(ri)本和美國的國際研究小(xiao)組已經設計并測試了這種高(gao)溫(wen)硫基(ji)工(gong)藝所(suo)需(xu)的組成部件(jian)——太陽能反應(ying)器/蒸發器，用于SO?分解的熱交換(huan)器，以(yi)及SO?和O?的氧氣分離器。并確定(ding)了使用由碳化硅制成的結構材料，該(gai)材料可(ke)以(yi)在腐蝕條件(jian)和執行熱化學所(suo)需(xu)的極高(gao)溫(wen)度下保(bao)持穩定(ding)性。

混合硫(liu)（HyS）太陽能反應堆

硫基太陽能熱化學的優勢

硫磺(huang)可(ke)以像煤一樣，很便(bian)宜且長時間(jian)儲(chu)存在(zai)戶外；與其他儲(chu)熱技術不(bu)同的是，其存儲(chu)能量(liang)(liang)可(ke)以高(gao)于原始熱量(liang)(liang)輸入的溫度(du)下進行回(hui)收，并在(zai)恒定溫度(du)下回(hui)收。

硫基熱(re)化(hua)學(xue)工藝的存(cun)儲(chu)容量比當今的熔融鹽大一個數(shu)量級，這(zhe)將使可(ke)靠的全天(tian)候運行成本降(jiang)低(di)，甚至比CSP當前的存(cun)儲(chu)成本降(jiang)低(di)了一半(ban)，而CSP的存(cun)儲(chu)成本僅(jin)為電池的1/10。

儲(chu)能(neng)(neng)是(shi)太陽(yang)能(neng)(neng)生產(chan)中必不可少的。像許多工(gong)業過(guo)程用熱(re)(re)(re)一樣，氫裂解需要全天候穩(wen)定地供熱(re)(re)(re)。所有太陽(yang)能(neng)(neng)熱(re)(re)(re)化(hua)學過(guo)程都包括通過(guo)與太陽(yang)能(neng)(neng)反應堆(dui)混合，或通過(guo)包含熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)存(cun)儲(chu)介(jie)質（如熔融鹽）來確保(bao)穩(wen)定供應熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)。

“如果想使用任何種類的(de)可再生能源，則(ze)需(xu)要配置足量的(de)存(cun)儲(chu)(chu)系統，來確保24/7全天候運行”，澳大利亞(ya)大學(xue)機械工(gong)程(cheng)學(xue)院為(wei)HyS研究做出貢獻(xian)的(de)邁赫迪賈法里安（Mehdi Jafarian）補充說，“因(yin)此，我(wo)們認為(wei)HyS工(gong)藝具有整合到銅加工(gong)中的(de)潛力，而(er)如果使用太陽能光伏，那么電(dian)池(chi)存(cun)儲(chu)(chu)的(de)成本將大大增加凈(jing)成本，以使這些工(gong)藝脫碳。”

銅礦如何使用硫酸？

“在采礦過程中(zhong)，例如銅礦石焙燒中(zhong)會產(chan)生(sheng)二氧化(hua)硫。這可以用(yong)于熱(re)/電(dian)混合循環中(zhong)，以產(chan)生(sheng)氫氣，氧氣和(he)硫酸。”Sattler解釋說。

銅(tong)礦(kuang)需要氫(qing)氣(qi)(qi)和氧氣(qi)(qi)。因為礦(kuang)石中含有(you)大量的硫，因此首先需要氧氣(qi)(qi)來烘烤礦(kuang)石；通過(guo)焙燒，將(jiang)礦(kuang)石轉變為氧化銅(tong)，然后用(yong)氫(qing)氣(qi)(qi)將(jiang)氧化銅(tong)還原為銅(tong)。銅(tong)礦(kuang)石中含有(you)用(yong)于生產硫酸的硫，而硫又用(yong)于浸出礦(kuang)物(wu)中的其(qi)他雜質。

雙贏，在銅礦現場生產太陽能氫氣和氧氣

當前(qian)，將氫氣和氧氣運到礦山的費用(yong)，以及采用(yong)化石(shi)燃料作(zuo)為(wei)熱源的費用(yong)都相當昂貴；所(suo)以銅(tong)礦只能在礦場生(sheng)產氧化銅(tong)，然(ran)后于將氧化銅(tong)運到工廠，精煉成(cheng)銅(tong)；這樣的生(sheng)產流程也(ye)會使礦山失去了(le)生(sheng)產有價(jia)值(zhi)的銅(tong)產品機會。

“而這項HyS技術將能夠在現場(chang)提(ti)供生產出最終銅產品。”Sattler表示。

Jafarian補充(chong)說：“我們(men)設(she)計了一個可(ke)以將HyS集成到銅(tong)(tong)加(jia)(jia)(jia)工(gong)中的(de)系統。目前，我們(men)正(zheng)在(zai)與DLR合(he)作(zuo)，將HyS整合(he)到銅(tong)(tong)加(jia)(jia)(jia)工(gong)中，從而為(wei)銅(tong)(tong)加(jia)(jia)(jia)工(gong)和采(cai)礦業現場生產氫(qing)氣和氧(yang)氣。這使(shi)我們(men)每(mei)年可(ke)以為(wei)銅(tong)(tong)加(jia)(jia)(jia)工(gong)商提供大(da)約9到10個月的(de)氫(qing)氣和氧(yang)氣。從經濟角度講，它甚至(zhi)可(ke)以與使(shi)用化石燃料的(de)最新制氫(qing)技術相提并論。”

一(yi)旦將(jiang)(jiang)太陽能氫作(zuo)為對銅礦(kuang)開采業(ye)的(de)工業(ye)服務組成部分進行(xing)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)，便可以將(jiang)(jiang)其(qi)作(zuo)為獨立的(de)能源(yuan)載體進行(xing)大(da)規(gui)模生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)，并在難(nan)以脫碳的(de)領域中得到許多(duo)應用，例如(ru)，貨物運(yun)輸等重型運(yun)輸，從而建立了規(gui)模化生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)。

Jafarian指出，BHP Group是(shi)(shi)世界上最大的礦業公司，在(zai)澳大利(li)(li)亞擁(yong)有主要股份。上個(ge)月，BHP Group發(fa)布(bu)了綠(lv)色(se)(se)氫計劃。“如果這(zhe)(zhe)家巨頭想(xiang)要綠(lv)色(se)(se)氫氣，那對我們來說是(shi)(shi)最好的機會，而(er)澳大利(li)(li)亞目(mu)前擁(yong)有做(zuo)到(dao)這(zhe)(zhe)些的所有基礎設施、能力和資源(yuan)。”

澳大利亞將試用這種基于硫的太陽能熱化學技術

阿德萊德大學太陽能研究工(gong)程(cheng)師阿方(fang)索·基尼(ni)奇（Alfonso Chinnici）也認為，澳大利亞是HyS研究可以首(shou)先商(shang)業(ye)化的(de)地方(fang)。一項私營/公共(gong)的(de)重工(gong)業(ye)脫碳倡議已經通過一個合作研究中心（CRC）HyS技術即將獲(huo)得(de)試驗。

同時也參與澳(ao)大利亞希爾特CRC項目的Chinnici指出，DLR即(ji)將向(xiang)澳(ao)大利亞運(yun)送接收器(qi)，在(zai)實驗室(shi)進(jin)行(xing)小(xiao)型試驗。他說：“然后計劃在(zai)2022年進(jin)行(xing)一次太陽測試——在(zai)戶外用太陽定日鏡場進(jin)行(xing)測試。”

“我認(ren)為DLR具有(you)(you)相當快的(de)程(cheng)序，因為它不是從(cong)零開始的(de)。DLR的(de)克里斯蒂(di)安(an)（Christian）小組已儲(chu)備了相當多的(de)專業知識，他們從(cong)開始有(you)(you)了想法(fa)，以及進行接(jie)收(shou)器研制工作已有(you)(you)5年。”

Jafarian表(biao)示(shi)，將繼(ji)續(xu)對這項先進(jin)的(de)太陽能(neng)技(ji)術進(jin)行測試的(de)其他改進(jin)：“我們還(huan)在研究(jiu)另一(yi)種技(ji)術，以改進(jin)將太陽能(neng)引入(ru)系統的(de)方式。我們正在研究(jiu)一(yi)種稱為(wei)太陽腔氣泡接(jie)收(shou)器的(de)太陽能(neng)接(jie)收(shou)器，現已經進(jin)行了(le)一(yi)些(xie)技(ji)術評估(gu)，發現這還(huan)具有進(jin)一(yi)步(bu)降低成(cheng)本的(de)潛力。”

IMAGE 澳大(da)利亞阿德萊(lai)德的(de)Mehdi Jafarian大(da)學(xue)（摘自(zi)論(lun)文：具有(you)鼓泡傳熱(re)的(de)太陽(yang)能接(jie)收器，用于(yu)加熱(re)加壓氣體）

“目(mu)前評估主要基于DLR開(kai)發的技(ji)術。但是(shi)，我們也(ye)在并行(xing)(xing)開(kai)發一項新技(ji)術，進一步降低銅行(xing)(xing)業的制(zhi)氫成本方面也(ye)具有巨大的潛力(li)。”

在全球范圍(wei)內，由于清(qing)潔能源(yuan)技術的(de)(de)增(zeng)長(chang)，銅(tong)(tong)行業需(xu)要快速增(zeng)長(chang)以滿足需(xu)求的(de)(de)增(zeng)長(chang)，并且在滿足需(xu)要替代化(hua)石能源(yuan)的(de)(de)新氣候目標的(de)(de)同時(shi)做(zuo)到(dao)(dao)這一點。據彭博社(she)預測，到(dao)(dao)2030年，銅(tong)(tong)的(de)(de)年供應赤字將達到(dao)(dao)470萬噸，因此，有必要采用(yong)經濟的(de)(de)方法(fa)來提(ti)煉可利用(yong)清(qing)潔能源(yuan)提(ti)供熱量(liang)的(de)(de)銅(tong)(tong)。澳大利亞銅(tong)(tong)業公司(si)已(yi)意識到(dao)(dao)采用(yong)清(qing)潔能源(yuan)降低碳排放已(yi)迫在眉睫(jie)。