要点:
麻省理工学院/MIT的团队估计，他们的新设计能够利用多达40%的太阳热量来产生更多的氢气，这是实现太阳能生产燃料的一大飞跃。如果这一点能够实现，它可能会极大地改变我们的能源未来，实现24小时、7天全天候制氢。目前，该计划目前正获得能源部的资助。
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最近，在“太阳能杂志”进行的一项研究中， MIT工程师提出了一种创新的系统概念，能够高效地生产太阳能热化学氢。这套系统直接利用太阳的热能来分解水，生成氢气作为清洁燃料，为长途卡车、船只和飞机提供动力，同时在整个过程中实现温室气体的“零排放”。
目前，氢气主要通过涉及天然气和其他化石燃料的制程生产，从生产到最终使用，使这种绿色燃料更像是一种“灰色”能源。相对而言，太阳能热化学氢/STCH提供了一个完全零排放的替代方案，因为它完全依赖可再生太阳能来驱动氢气生产。但是，现有的STCH设计效率有限，仅有约7%的阳光能用于氢气制造，这导致低收益和高成本。
麻省理工学院/MIT的团队估计，他们的新设计能够利用多达40%的太阳热量来产生更多的氢气，这是实现太阳能生产燃料的一大飞跃。提高效率可以降低系统的总体成本，使STCH成为一种具有扩展潜力且经济实惠的选择，有助于使交通运输行业实现脱碳。
该研究的主要作者、麻省理工学院机械工程系的罗纳德·C·克兰教授艾哈迈德·戈尼姆/Ahmed Ghoniem表示，“我们认为氢气是未来的燃料，并需要实现大规模且价格低廉的氢气生产。”他补充道，“我们正努力实现能源部的目标，即到2030年以每公斤1美元的价格生产绿氢。为了提高经济效益，我们必须提高效率，确保我们收集的大部分太阳能都用于生产氢气。”
太阳能站
与其他提议的设计相似，麻省理工学院的系统与现有的太阳能热源进行配对，例如聚光太阳能发电厂/CSP。这种设计包含了数百个镜子组成的圆形阵列，用于收集阳光并反射到中央接收塔。接着，STCH系统吸收接收器的热量，引导它进行水的分解，并生成氢气。与电解不同，这个过程利用热能而非电力来分解水。
概念性STCH系统的核心在于两步骤的热化学反应。在第一步中，将蒸气状态的水暴露于金属中，使金属夺取氧气，留下氢气。这种金属氧化类似于铁在水中生锈，但速度更快。一旦氢气被分离出来，氧化或生锈的金属会在真空中重新加热，逆转生锈过程并使金属再生。在去除氧气后，金属冷却，再次暴露于蒸汽以产生更多氢气，而这个过程可以重复数百次。
麻省理工学院的最新研发系统旨在最佳化这个流程。整个系统就像是一列在圆形轨道上运行的箱形反应器。实际上，这条轨道将环绕太阳能热源，例如CSP塔。每个反应器都包含经历氧化还原或可逆生锈过程的金属。每个反应器首先通过一个高温站，其中它在高达1500摄氏度的太阳热量下受热。这种极端的热量能够有效地从反应炉的金属中提取氧气。随后，这种金属处于“还原”状态，准备从蒸汽中取得氧气。为实现这一步骤，反应炉将移动到约1000摄氏度的冷却站，再次暴露于蒸汽中，生成氢气。
铁锈和铁轨
其他类似的STCH概念都共同面临一个挑战：如何有效处理还原反应器冷却时释放的热量。如果不能回收和再利用这些热量，系统的效率就会降低到无法实际应用的水平。第二个问题涉及创建一个能够使金属除锈的节能真空。一些原型使用机械泵产生真空，但这对于大规模氢气生产来说既能源密集又成本高昂。
为了应对这些挑战，麻省理工学院的设计引入了几种节能的解决方法。为了回收从系统中流失的大部分热量，圆形轨道两侧的反应器通过热辐射进行热量交换，热反应器被冷却，而冷反应器被加热。这样操作，可以有效地保留热能在系统内。此外，研究人员添加了第二组反应器，它们将围绕第一列列车旋转并以相反的方向移动。这些外部反应器的外部序列通常在较低的温度下运行，并将用于排放内部序列中的氧气，而不需要耗能的机械泵。
这些外部反应器携带着第二种容易氧化的金属。当它们运行时，外部反应器将吸收内部反应器中的氧气，有效地对原始金属进行除锈，而无需使用能源密集的真空泵。这两个反应器序列将连续运行，产生单独的纯氢气和氧气流。
研究人员对概念设计进行了详细模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从先前的7%提高到40%。麻省理工学院机械工程系的艾哈迈德·戈尼姆/Ahmed Ghoniem表示，“我们必须考虑系统中的每一点能源，以及如何使用它，以最大限度地降低成本。”他补充说到， “透过这种设计，我们发现一切都可以由太阳热量提供动力。它能够利用40%的太阳热量来生产氢气。”
亚利桑那州立大学化学工程助理教授克里斯托弗·穆希奇/Christopher Muhich表示，“如果这一点能够实现，它可能会极大地改变我们的能源未来，实现24小时、7天全天候制氢。”该团队计划在明年建造一个系统原型，并计划在能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试。目前，该计划目前正获得能源部的资助。
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