麻省理工学院的设计将利用40%的太阳热量来生产清洁氢燃料

麻省理工学院的工程师们的目标是通过一种完全由太阳驱动、类似火车的反应堆系统来生产完全绿色、无碳的氢燃料。

在今天发表在 《太阳能杂志》上的一项研究中，工程师们提出了一个可以有效生产“太阳能热化学氢”的系统的概念设计。该系统利用太阳的热量直接分解水并产生氢气——一种清洁燃料，可为长途卡车、船舶和飞机提供动力，同时在此过程中不排放任何温室气体。

如今，氢气主要是通过涉及天然气和其他化石燃料的工艺生产的，从生产开始到最终使用，使得这种绿色燃料更像是一种“灰色”能源。相比之下，太阳能热化学氢(STCH)提供了一种完全零排放的替代方案，因为它完全依靠可再生太阳能来驱动氢气生产。但到目前为止，现有的 STCH 设计效率有限：只有约 7% 的入射阳光用于制造氢气。迄今为止的结果是低收益和高成本。

麻省理工学院团队估计，其新设计可以利用多达 40% 的太阳热量来产生更多的氢气，这是实现太阳能制造燃料的一大进步。效率的提高可以降低系统的总体成本，使 STCH 成为一种潜在的可扩展且经济实惠的选择，有助于交通运输行业脱碳。

“我们认为氢是未来的燃料，并且需要廉价且大规模地生产氢，”该研究的主要作者、麻省理工学院机械工程系罗纳德·C·克兰教授艾哈迈德·戈尼姆(Ahmed Ghoniem)说道。“我们正在努力实现能源部的目标，即到 2030 年以每公斤 1 美元的价格生产绿色氢。为了提高经济效益，我们必须提高效率，并确保我们收集的大部分太阳能都用于生产氢气。”

Ghoniem 的研究合著者是第一作者、麻省理工学院博士后 Aniket Patankar;Harry Tuller，麻省理工学院材料科学与工程教授;滑铁卢大学的Xiao-Yu Wu;和韩国梨花女子大学的 Wonjae Choi。

太阳能站

与其他拟议的设计类似，麻省理工学院的系统将与现有的太阳能热源配对，例如聚光太阳能发电厂(CSP)——由数百个镜子组成的圆形阵列，用于收集阳光并将阳光反射到中央接收塔。然后，STCH 系统吸收接收器的热量并引导其分解水并产生氢气。这个过程与电解有很大不同，电解是用电而不是热量来分解水。

概念性 STCH 系统的核心是两步热化学反应。第一步，将蒸汽形式的水暴露于金属。这导致金属从蒸汽中夺取氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于铁在水存在下生锈，但发生得更快。一旦氢气被分离出来，氧化(或生锈)的金属就会在真空中重新加热，从而逆转生锈过程并使金属再生。除去氧气后，金属可以冷却并再次暴露于蒸汽以产生更多的氢气。这个过程可以重复数百次。

MIT 系统旨在优化这一过程。整个系统就像一列在圆形轨道上运行的箱形反应堆。实际上，这条轨道将围绕太阳能热源设置，例如 CSP 塔。列车中的每个反应堆都会容纳经历氧化还原或可逆生锈过程的金属。

每个反应堆首先要经过一个高温站，在那里它会暴露在温度高达 1,500 摄氏度的太阳热量下。这种极端的热量会有效地从反应堆金属中吸出氧气。然后，这种金属将处于“还原”状态——准备从蒸汽中获取氧气。为此，反应堆将移动到温度约为 1000 摄氏度的冷却站，在那里它将暴露在蒸汽中以产生氢气。

铁锈和铁轨

其他类似的 STCH 概念都遇到了一个共同的障碍：如何处理还原反应堆冷却时释放的热量。如果不回收和再利用这些热量，系统的效率就会太低而无法实用。

第二个挑战与创造一个可以使金属除锈的节能真空有关。一些原型使用机械泵产生真空，但这些泵对于大规模氢气生产来说能源密集且成本过高。

为了应对这些挑战，麻省理工学院的设计采用了几种节能的解决方法。为了回收大部分从系统中逸出的热量，圆形轨道两侧的反应堆可以通过热辐射交换热量;热反应堆被冷却，而冷反应堆被加热。这样可以将热量保留在系统内。研究人员还添加了第二组反应堆，它们将围绕第一列列车旋转，并朝相反的方向移动。该反应堆的外部序列通常在较低的温度下运行，并将用于从较热的内部序列中排出氧气，而不需要耗能的机械泵。

这些外部反应堆将携带第二种也很容易氧化的金属。当它们绕行时，外部反应器会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型真空泵。两个反应堆序列将连续运行，并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，发现它将显着提高太阳能热化学制氢的效率，从之前设计所证明的 7% 提高到 40%。

“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，”戈尼姆说。“通过这种设计，我们发现一切都可以由来自太阳的热量提供动力。它能够利用 40% 的太阳热量来生产氢气。”

明年，该团队将建造一个系统原型，他们计划在能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试，能源部目前正在资助该项目。

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