麻省理工學院將利用40%的太陽熱生產清潔氫燃料

要點:
麻省理工學院/MIT的團隊估計，他們的新設計能夠利用多達40%的太陽熱量來產生更多的氫氣，這是實現太陽能生產燃料的一大飛躍。如果這一點能夠實現，它可能會極大地改變我們的能源未來，實現24小時、7天全天候製氫。目前，該計劃目前正獲得能源部的資助。

最近，在“太陽能雜誌”進行的一項研究中，MIT工程師提出了一種創新的系統概念，能夠高效地生產太陽能熱化學氫。這套系統直接利用太陽的熱能來分解水，生成氫氣作為清潔燃料，為長途卡車、船隻和飛機提供動力，同時在整個過程中實現溫室氣體的“零排放”。

目前，氫氣主要通過涉及天然氣和其他化石燃料的製程生產，從生產到最終使用，使這種綠色燃料更像是一種“灰色”能源。相對而言，太陽能熱化學氫/STCH提供了一個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氣生產。但是，現有的STCH設計效率有限，僅有約7%的陽光能用於氫氣製造，這導致低收益和高成本。

麻省理工學院/MIT的團隊估計，他們的新設計能夠利用多達40%的太陽熱量來產生更多的氫氣，這是實現太陽能生產燃料的一大飛躍。提高效率可以降低系統的總體成本，使STCH成為一種具有擴展潛力且經濟實惠的選擇，有助於使交通運輸行業實現脫碳。

該研究的主要作者、麻省理工學院機械工程系的羅納德·C·克蘭教授艾哈邁德·戈尼姆/Ahmed Ghoniem表示，“我們認為氫氣是未來的燃料，並需要實現大規模且價格低廉的氫氣生產。”他補充道，“我們正努力實現能源部的目標，即到2030年以每公斤1美元的價格生產綠氫。爲了提高經濟效益，我們必須提高效率，確保我們收集的大部分太陽能都用於生產氫氣。”

太陽能站
與其他提議的設計相似，麻省理工學院的系統與現有的太陽能熱源進行配對，例如聚光太陽能發電廠/CSP。這種設計包含了數百個鏡子組成的圓形陣列，用於收集陽光並反射到中央接收塔。接著，STCH系統吸收接收器的熱量，引導它進行水的分解，並生成氫氣。與電解不同，這個過程利用熱能而非電力來分解水。

概念性STCH系統的核心在於兩步驟的熱化學反應。在第一步中，將蒸氣狀態的水暴露於金屬中，使金屬奪取氧氣，留下氫氣。這種金屬氧化類似於鐵在水中生鏽，但速度更快。一旦氫氣被分離出來，氧化或生鏽的金屬會在真空中重新加熱，逆轉生鏽過程並使金屬再生。在去除氧氣後，金屬冷卻，再次暴露於蒸汽以產生更多氫氣，而這個過程可以重複數百次。

麻省理工學院的最新研發系統旨在最佳化這個流程。整個系統就像是一列在圓形軌道上運行的箱形反應器。實際上，這條軌道將環繞太陽能熱源，例如CSP塔。每個反應器都包含經歷氧化還原或可逆生鏽過程的金屬。每個反應器首先通過一個高溫站，其中它在高達1500攝氏度的太陽熱量下受熱。這種極端的熱量能夠有效地從反應爐的金屬中提取氧氣。隨後，這種金屬處於“還原”狀態，準備從蒸汽中取得氧氣。為實現這一步驟，反應爐將移動到約1000攝氏度的冷卻站，再次暴露於蒸汽中，生成氫氣。

鐵鏽和鐵軌
其他類似的STCH概念都共同面臨一個挑戰：如何有效處理還原反應器冷卻時釋放的熱量。如果不能回收和再利用這些熱量，系統的效率就會降低到無法實際應用的水平。第二個問題涉及創建一個能夠使金屬除鏽的節能真空。一些原型使用機械泵產生真空，但這對於大規模氫氣生產來說既能源密集又成本高昂。

為了應對這些挑戰，麻省理工學院的設計引入了幾種節能的解決方法。為了回收從系統中流失的大部分熱量，圓形軌道兩側的反應器通過熱輻射進行熱量交換，熱反應器被冷卻，而冷反應器被加熱。這樣操作，可以有效地保留熱能在系統內。此外，研究人員添加了第二組反應器，它們將圍繞第一列列車旋轉並以相反的方向移動。這些外部反應器的外部序列通常在較低的溫度下運行，並將用於排放內部序列中的氧氣，而不需要耗能的機械泵。

這些外部反應器攜帶著第二種容易氧化的金屬。當它們運行時，外部反應器將吸收內部反應器中的氧氣，有效地對原始金屬進行除鏽，而無需使用能源密集的真空泵。這兩個反應器序列將連續運行，產生單獨的純氫氣和氧氣流。

研究人員對概念設計進行了詳細模擬，發現它將顯著提高太陽能熱化學製氫的效率，從先前的7%提高到40%。麻省理工學院機械工程系的艾哈邁德·戈尼姆/Ahmed Ghoniem表示，“我們必須考慮系統中的每一點能源，以及如何使用它，以最大限度地降低成本。”他補充說到，“透過這種設計，我們發現一切都可以由太陽熱量提供動力。它能夠利用40%的太陽熱量來生產氫氣。”

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表示，“如果這一點能夠實現，它可能會極大地改變我們的能源未來，實現24小時、7天全天候製氫。”該團隊計劃在明年建造一個系統原型，並計劃在能源部實驗室的聚光太陽能設施中進行測試。目前，該計劃目前正獲得能源部的資助。