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近日，在《太陽能(neng)雜志》上(shang)的一項研究中，來自麻省(sheng)理工(gong)學院（MIT）的工(gong)程師們提出了一個(ge)系(xi)統的概念設計，該系(xi)統可以有(you)效地產生“太陽能(neng)熱化學氫”。

該系統(tong)利(li)用太陽的(de)熱(re)量直(zhi)接分解水并(bing)產生(sheng)氫——一種清潔的(de)燃料，可以為長途卡車(che)、輪船(chuan)和飛機提供動力，同時(shi)在這個(ge)過程中不會排放溫室(shi)氣體(ti)。

如今，氫氣(qi)主要是通過涉(she)及天(tian)然氣(qi)和其他化(hua)石(shi)燃(ran)料的(de)過程生(sheng)產的(de)，這使(shi)得(de)從生(sheng)產開(kai)始到(dao)最(zui)終使(shi)用，這種原本綠色(se)的(de)燃(ran)料更(geng)像是一(yi)種“灰色(se)”能源。

相比(bi)之下，太陽能熱(re)化(hua)學氫(qing)(STCH)提(ti)供(gong)了一種完全(quan)零排放的(de)替代方案，因為(wei)它完全(quan)依賴可再生太陽能來(lai)驅動(dong)氫(qing)的(de)生產。但到目(mu)前為(wei)止，現有(you)的(de)STCH設計效率有(you)限(xian)：只有(you)大約7%的(de)入射陽光被用來(lai)制造(zao)氫(qing)氣。迄今為(wei)止的(de)結果是(shi)低產量和高成本。

麻省理工學院的(de)(de)研究小組估計(ji)，他們的(de)(de)新設計(ji)可(ke)以(yi)利用高達40%的(de)(de)太陽熱量來產(chan)生(sheng)更多的(de)(de)氫氣，這是實(shi)現太陽能燃料的(de)(de)一大(da)步。效率的(de)(de)提高可(ke)以(yi)降低系統的(de)(de)總體成本(ben)，使STCH成為一個潛(qian)在(zai)的(de)(de)可(ke)擴展的(de)(de)、負擔得起的(de)(de)選擇，以(yi)幫助運輸行業脫(tuo)碳(tan)。

該研究的主要作者(zhe)、麻省理工(gong)學院羅納(na)德·C·克蘭機(ji)械工(gong)程(cheng)教授艾哈(ha)邁(mai)德·高尼姆(mu)說(shuo)：

“我(wo)們認為氫是未(wei)來(lai)的燃料(liao)，我(wo)們需要廉價、大規模地生產(chan)氫。”

“我(wo)們(men)(men)正在努(nu)力實現(xian)能源部的目標，即(ji)到2030年以每公斤1美元的價格生產綠色氫(qing)。為了(le)提高(gao)經濟效益，我(wo)們(men)(men)必須提高(gao)效率(lv)，并確保我(wo)們(men)(men)收集的大部分太陽(yang)能用于(yu)生產氫(qing)氣。”

高尼姆的(de)學(xue)(xue)生即該論文的(de)第一作(zuo)者(zhe)(zhe)是麻省理工(gong)學(xue)(xue)院博士后Aniket Patankar；參與(yu)(yu)者(zhe)(zhe)包括：麻省理工(gong)學(xue)(xue)院材(cai)料科學(xue)(xue)與(yu)(yu)工(gong)程(cheng)教授Harry Tuller；滑鐵(tie)盧(lu)大(da)學(xue)(xue)的(de)Xiao-Yu Wu；以及韓國梨花女子(zi)大(da)學(xue)(xue)的(de)Wonjae Choi。

太陽能光熱發電站

與(yu)其他提出的設計(ji)類似，麻省理(li)工(gong)學(xue)院(yuan)的系(xi)統(tong)將與(yu)現有的太陽(yang)能熱(re)源相結合(he)，比(bi)如(ru)聚(ju)光太陽(yang)能發電廠(CSP)——一個由(you)數百面(mian)鏡子組成的圓形陣列(lie)，收(shou)集陽(yang)光并將其反射到中(zhong)央接收(shou)塔，然(ran)后(hou)STCH系(xi)統(tong)吸收(shou)接收(shou)器的熱(re)量(liang)并引導(dao)其分解(jie)水(shui)并產生氫氣。這(zhe)個過程(cheng)與(yu)電解(jie)非常不(bu)同(tong)，電解(jie)使用電而不(bu)是熱(re)來分解(jie)水(shui)。

概念性(xing)STCH系統的核(he)心是兩步熱化(hua)學反應。在第(di)一(yi)步中(zhong)，水(shui)(shui)以蒸汽(qi)的形式暴露(lu)在金屬中(zhong)。這(zhe)使得(de)金屬從蒸汽(qi)中(zhong)吸(xi)收氧(yang)(yang)氣，留(liu)下氫(qing)氣。這(zhe)種(zhong)金屬“氧(yang)(yang)化(hua)”類似于鐵在水(shui)(shui)中(zhong)的生(sheng)銹，但(dan)發生(sheng)的速度要快得(de)多(duo)。一(yi)旦氫(qing)被(bei)分離(li)，氧(yang)(yang)化(hua)(或(huo)生(sheng)銹)的金屬在真空中(zhong)重新加(jia)熱，這(zhe)可(ke)以逆轉(zhuan)生(sheng)銹過程并(bing)使金屬再(zai)生(sheng)。除去氧(yang)(yang)氣后，金屬可(ke)以冷卻并(bing)再(zai)次暴露(lu)在蒸汽(qi)中(zhong)以產生(sheng)更(geng)多(duo)的氫(qing)。這(zhe)個(ge)過程可(ke)以重復數百次。

麻(ma)省理工學院(yuan)的(de)系統旨在(zai)優化這一(yi)過(guo)程。整(zheng)個系統就(jiu)像一(yi)列(lie)在(zai)圓形軌(gui)道上運(yun)行的(de)箱形反(fan)應堆列(lie)車。在(zai)實踐中，這條(tiao)軌(gui)道將被設(she)置在(zai)太(tai)陽能熱源(yuan)周圍，比(bi)如CSP塔。列(lie)車上的(de)每(mei)個反(fan)應堆都(dou)將容納經過(guo)氧化還(huan)原或可逆生銹過(guo)程的(de)金屬。

每個反(fan)應(ying)堆(dui)將首先通過一個熱站，在那里(li)它將暴(bao)露在高(gao)達1500攝氏(shi)度的太陽熱量(liang)下，這(zhe)種(zhong)極端的高(gao)溫會有效地將氧(yang)氣從反(fan)應(ying)堆(dui)的金(jin)屬中抽出。

然后，這(zhe)種金屬將處于“還原”狀態——準備(bei)從蒸汽中(zhong)吸收氧氣。為(wei)了實現(xian)這(zhe)一目標，反應堆將轉移到(dao)一個(ge)溫度(du)在(zai)1000攝氏度(du)左右(you)的(de)較冷(leng)的(de)站，在(zai)那里它(ta)將暴露在(zai)蒸汽中(zhong)產生氫氣。

鐵銹和鐵軌

其他類似的STCH概(gai)念(nian)遇到了(le)一個共同的障礙：如何處理反應堆(dui)在(zai)冷卻(que)時釋放的熱(re)量。如果不回(hui)收和再利用這些熱(re)量，系統的效率(lv)太低，無法(fa)投入實際(ji)應用。

第二個挑戰是如何創造(zao)一(yi)種節(jie)能(neng)的(de)真(zhen)空環境，使金(jin)屬能(neng)夠除銹(xiu)。一(yi)些原型機使用(yong)機械泵產(chan)生真(zhen)空，盡(jin)管這種泵對大(da)規(gui)模氫(qing)氣生產(chan)來(lai)說過于耗能(neng)和昂(ang)貴(gui)。

為(wei)了(le)應對這些(xie)挑戰，麻(ma)省理工學院(yuan)的設計結合了(le)幾種節(jie)能(neng)解決方案。為(wei)了(le)回收大部分原(yuan)本會(hui)從系(xi)統(tong)中(zhong)逸出的熱(re)(re)量(liang)(liang)(liang)，環形軌道兩側的反應堆(dui)被允許(xu)通過熱(re)(re)輻射交換熱(re)(re)量(liang)(liang)(liang)；熱(re)(re)反應堆(dui)冷卻，而冷反應堆(dui)加熱(re)(re)。這使熱(re)(re)量(liang)(liang)(liang)保持在(zai)系(xi)統(tong)內。

研(yan)究人員還(huan)增加了第(di)二組反應堆(dui)，它們將圍繞第(di)一列火車(che)，朝相反的方向運動。這種反應堆(dui)的外(wai)部(bu)列車(che)將在通常較(jiao)低的溫度下運行，并將用于從較(jiao)熱的內(nei)部(bu)列車(che)中抽出氧氣(qi)，而不需要高耗能的機械泵。

這(zhe)些外部(bu)(bu)反應堆(dui)將(jiang)攜帶(dai)第二種金(jin)屬，這(zhe)種金(jin)屬也(ye)很(hen)容易(yi)被氧化。當它們繞圈時(shi)，外部(bu)(bu)反應堆(dui)會從內部(bu)(bu)反應堆(dui)中(zhong)吸收(shou)氧氣，從而有效地消除(chu)原始金(jin)屬的(de)(de)銹蝕，而無需使用能源(yuan)密集型真空泵。兩組反應堆(dui)將(jiang)連續運行，并產生單(dan)獨的(de)(de)純氫(qing)和純氧流。

研究人員對概念設計(ji)進行了詳細的模擬，發現(xian)它將顯著(zhu)提高太(tai)陽能熱(re)化學制(zhi)氫的效率，從之前(qian)設計(ji)的7%提高到40%。

“我們必須考慮系統(tong)中的(de)每(mei)一(yi)點能(neng)量，以(yi)及如何使(shi)用它(ta)，以(yi)最大限度地降低成本(ben)，”高尼姆說。“通過(guo)(guo)這(zhe)種(zhong)設計，我們發(fa)現一(yi)切都可以(yi)通過(guo)(guo)來(lai)自(zi)太陽(yang)的(de)熱量來(lai)提供動力。它(ta)能(neng)夠利用40%的(de)太陽(yang)熱量來(lai)產生(sheng)氫氣。”

評價與展望

亞利桑那州(zhou)立大學化學工程助理教授克里(li)斯(si)托弗(fu)·穆希奇(Christopher Muhich)沒有參與這項研究，他說(shuo)：

“如果這能(neng)實現，它(ta)將徹底改變我(wo)們的能(neng)源未來——也就是說(shuo)，使氫氣生(sheng)產成為(wei)可(ke)能(neng)。”

“制(zhi)造氫的能力是(shi)利用陽(yang)光(guang)生產液體燃料(liao)的關鍵。”

明年(nian)，該團(tuan)隊將建(jian)立一個系(xi)統(tong)的原型，他們計劃在(zai)目(mu)前資助該項目(mu)的能源(yuan)部實驗室的集中太(tai)陽能發電設施中進行測(ce)試。

當完全實施后，這個系統(tong)將(jiang)被安置在(zai)太陽能中心的(de)一棟小建(jian)筑里。

“在(zai)這棟建筑里，可能有(you)一列或多(duo)列火車(che)(che)，每列火車(che)(che)都有(you)大約(yue)50個反應堆。我們認為(wei)這可能是一個模塊化(hua)系(xi)統(tong)，你可以在(zai)傳(chuan)送帶上增(zeng)加反應堆，以擴大氫氣(qi)的生產(chan)。”

研究人員還添加了第二(er)組(zu)反應(ying)器，將(jiang)繞(rao)著第一列火車循環運行，以(yi)相反的(de)方向移動。這些外部(bu)反應(ying)器將(jiang)在(zai)通常較低的(de)溫度下運行，用(yong)于排出內部(bu)反應(ying)器中的(de)氧氣，而(er)無需(xu)消耗能源的(de)機(ji)械泵(beng)提供能源。

這些外部(bu)(bu)反(fan)應(ying)器(qi)將攜帶(dai)第二種容易氧(yang)(yang)化的(de)金屬。隨著它們的(de)循環，外部(bu)(bu)反(fan)應(ying)器(qi)將吸收(shou)內(nei)部(bu)(bu)反(fan)應(ying)器(qi)中(zhong)的(de)氧(yang)(yang)氣(qi)，有(you)效地去除原(yuan)金屬的(de)銹，而無需使用能耗高昂的(de)真(zhen)空泵。兩列(lie)反(fan)應(ying)器(qi)將持續運(yun)行，并分(fen)別生成純氫氣(qi)和氧(yang)(yang)氣(qi)。

研究人員對概念(nian)設計進行了詳細(xi)的模擬，并發(fa)現它將顯著提高太陽(yang)能熱化學制(zhi)氫的效率，從7％提高到40％。

Ghoniem表示(shi)：“我們(men)必(bi)須(xu)考慮利用系(xi)統(tong)中的(de)每一點能量，并最小化成本。”在接下來(lai)的(de)一年里，該(gai)團隊(dui)將建(jian)造該(gai)系(xi)統(tong)的(de)原(yuan)型機。

Patankar解釋道：“當設計實際(ji)運行時，這(zhe)個系統將被(bei)安(an)置在太陽能場站中間的一(yi)棟小建(jian)筑內。在建(jian)筑內，可(ke)(ke)能有一(yi)列(lie)或(huo)多列(lie)每列(lie)約有50個反應器的列(lie)車。我(wo)們(men)認(ren)為這(zhe)可(ke)(ke)以是一(yi)個模(mo)塊化系統，可(ke)(ke)以通(tong)過向傳送帶上添加反應器來擴(kuo)大氫氣生產規模(mo)。”

這項工作(zuo)得到了(le)麻(ma)省理(li)工學(xue)院機(ji)械工程研究(jiu)與教育中心和南方(fang)科技大學(xue)的支持(chi)。