近日，在《太陽能雜志》上的一項(xiàng)研究中，來自麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們提出了一個(gè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以有效地產(chǎn)生“太陽能熱化學(xué)氫”。

該系統(tǒng)利用太陽的熱量直接分解水并產(chǎn)生氫——一種清潔的燃料，可以為長途卡車、輪船和飛機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)在這個(gè)過程中不會(huì)排放溫室氣體。

如今，氫氣主要是通過涉及天然氣和其他化石燃料的過程生產(chǎn)的，這使得從生產(chǎn)開始到最終使用，這種原本綠色的燃料更像是一種“灰色”能源。

相比之下，太陽能熱化學(xué)氫(STCH)提供了一種完全零排放的替代方案，因?yàn)樗耆蕾嚳稍偕柲軄眚?qū)動(dòng)氫的生產(chǎn)。但到目前為止，現(xiàn)有的STCH設(shè)計(jì)效率有限：只有大約7%的入射陽光被用來制造氫氣。迄今為止的結(jié)果是低產(chǎn)量和高成本。

麻省理工學(xué)院的研究小組估計(jì)，他們的新設(shè)計(jì)可以利用高達(dá)40%的太陽熱量來產(chǎn)生更多的氫氣，這是實(shí)現(xiàn)太陽能燃料的一大步。效率的提高可以降低系統(tǒng)的總體成本，使STCH成為一個(gè)潛在的可擴(kuò)展的、負(fù)擔(dān)得起的選擇，以幫助運(yùn)輸行業(yè)脫碳。

該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院羅納德·C·克蘭機(jī)械工程教授艾哈邁德·高尼姆說：

“我們認(rèn)為氫是未來的燃料，我們需要廉價(jià)、大規(guī)模地生產(chǎn)氫。”

“我們正在努力實(shí)現(xiàn)能源部的目標(biāo)，即到2030年以每公斤1美元的價(jià)格生產(chǎn)綠色氫。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，我們必須提高效率，并確保我們收集的大部分太陽能用于生產(chǎn)氫氣。”

高尼姆的學(xué)生即該論文的第一作者是麻省理工學(xué)院博士后Aniket Patankar；參與者包括：麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Harry Tuller；滑鐵盧大學(xué)的Xiao-Yu Wu；以及韓國梨花女子大學(xué)的Wonjae Choi。

太陽能光熱發(fā)電站

與其他提出的設(shè)計(jì)類似，麻省理工學(xué)院的系統(tǒng)將與現(xiàn)有的太陽能熱源相結(jié)合，比如聚光太陽能發(fā)電廠(CSP)——一個(gè)由數(shù)百面鏡子組成的圓形陣列，收集陽光并將其反射到中央接收塔，然后STCH系統(tǒng)吸收接收器的熱量并引導(dǎo)其分解水并產(chǎn)生氫氣。這個(gè)過程與電解非常不同，電解使用電而不是熱來分解水。

概念性STCH系統(tǒng)的核心是兩步熱化學(xué)反應(yīng)。在第一步中，水以蒸汽的形式暴露在金屬中。這使得金屬從蒸汽中吸收氧氣，留下氫氣。這種金屬“氧化”類似于鐵在水中的生銹，但發(fā)生的速度要快得多。一旦氫被分離，氧化(或生銹)的金屬在真空中重新加熱，這可以逆轉(zhuǎn)生銹過程并使金屬再生。除去氧氣后，金屬可以冷卻并再次暴露在蒸汽中以產(chǎn)生更多的氫。這個(gè)過程可以重復(fù)數(shù)百次。

麻省理工學(xué)院的系統(tǒng)旨在優(yōu)化這一過程。整個(gè)系統(tǒng)就像一列在圓形軌道上運(yùn)行的箱形反應(yīng)堆列車。在實(shí)踐中，這條軌道將被設(shè)置在太陽能熱源周圍，比如CSP塔。列車上的每個(gè)反應(yīng)堆都將容納經(jīng)過氧化還原或可逆生銹過程的金屬。

每個(gè)反應(yīng)堆將首先通過一個(gè)熱站，在那里它將暴露在高達(dá)1500攝氏度的太陽熱量下，這種極端的高溫會(huì)有效地將氧氣從反應(yīng)堆的金屬中抽出。

然后，這種金屬將處于“還原”狀態(tài)——準(zhǔn)備從蒸汽中吸收氧氣。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，反應(yīng)堆將轉(zhuǎn)移到一個(gè)溫度在1000攝氏度左右的較冷的站，在那里它將暴露在蒸汽中產(chǎn)生氫氣。

鐵銹和鐵軌

其他類似的STCH概念遇到了一個(gè)共同的障礙：如何處理反應(yīng)堆在冷卻時(shí)釋放的熱量。如果不回收和再利用這些熱量，系統(tǒng)的效率太低，無法投入實(shí)際應(yīng)用。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是如何創(chuàng)造一種節(jié)能的真空環(huán)境，使金屬能夠除銹。一些原型機(jī)使用機(jī)械泵產(chǎn)生真空，盡管這種泵對大規(guī)模氫氣生產(chǎn)來說過于耗能和昂貴。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的設(shè)計(jì)結(jié)合了幾種節(jié)能解決方案。為了回收大部分原本會(huì)從系統(tǒng)中逸出的熱量，環(huán)形軌道兩側(cè)的反應(yīng)堆被允許通過熱輻射交換熱量；熱反應(yīng)堆冷卻，而冷反應(yīng)堆加熱。這使熱量保持在系統(tǒng)內(nèi)。

研究人員還增加了第二組反應(yīng)堆，它們將圍繞第一列火車，朝相反的方向運(yùn)動(dòng)。這種反應(yīng)堆的外部列車將在通常較低的溫度下運(yùn)行，并將用于從較熱的內(nèi)部列車中抽出氧氣，而不需要高耗能的機(jī)械泵。

這些外部反應(yīng)堆將攜帶第二種金屬，這種金屬也很容易被氧化。當(dāng)它們繞圈時(shí)，外部反應(yīng)堆會(huì)從內(nèi)部反應(yīng)堆中吸收氧氣，從而有效地消除原始金屬的銹蝕，而無需使用能源密集型真空泵。兩組反應(yīng)堆將連續(xù)運(yùn)行，并產(chǎn)生單獨(dú)的純氫和純氧流。

研究人員對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，發(fā)現(xiàn)它將顯著提高太陽能熱化學(xué)制氫的效率，從之前設(shè)計(jì)的7%提高到40%。

“我們必須考慮系統(tǒng)中的每一點(diǎn)能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本，”高尼姆說。“通過這種設(shè)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)一切都可以通過來自太陽的熱量來提供動(dòng)力。它能夠利用40%的太陽熱量來產(chǎn)生氫氣。”

評價(jià)與展望

亞利桑那州立大學(xué)化學(xué)工程助理教授克里斯托弗·穆希奇(Christopher Muhich)沒有參與這項(xiàng)研究，他說：

“如果這能實(shí)現(xiàn)，它將徹底改變我們的能源未來——也就是說，使氫氣生產(chǎn)成為可能。”

“制造氫的能力是利用陽光生產(chǎn)液體燃料的關(guān)鍵。”

明年，該團(tuán)隊(duì)將建立一個(gè)系統(tǒng)的原型，他們計(jì)劃在目前資助該項(xiàng)目的能源部實(shí)驗(yàn)室的集中太陽能發(fā)電設(shè)施中進(jìn)行測試。

當(dāng)完全實(shí)施后，這個(gè)系統(tǒng)將被安置在太陽能中心的一棟小建筑里。

“在這棟建筑里，可能有一列或多列火車，每列火車都有大約50個(gè)反應(yīng)堆。我們認(rèn)為這可能是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，你可以在傳送帶上增加反應(yīng)堆，以擴(kuò)大氫氣的生產(chǎn)。”

研究人員還添加了第二組反應(yīng)器，將繞著第一列火車循環(huán)運(yùn)行，以相反的方向移動(dòng)。這些外部反應(yīng)器將在通常較低的溫度下運(yùn)行，用于排出內(nèi)部反應(yīng)器中的氧氣，而無需消耗能源的機(jī)械泵提供能源。

這些外部反應(yīng)器將攜帶第二種容易氧化的金屬。隨著它們的循環(huán)，外部反應(yīng)器將吸收內(nèi)部反應(yīng)器中的氧氣，有效地去除原金屬的銹，而無需使用能耗高昂的真空泵。兩列反應(yīng)器將持續(xù)運(yùn)行，并分別生成純氫氣和氧氣。

研究人員對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，并發(fā)現(xiàn)它將顯著提高太陽能熱化學(xué)制氫的效率，從7％提高到40％。

Ghoniem表示：“我們必須考慮利用系統(tǒng)中的每一點(diǎn)能量，并最小化成本。”在接下來的一年里，該團(tuán)隊(duì)將建造該系統(tǒng)的原型機(jī)。

Patankar解釋道：“當(dāng)設(shè)計(jì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)將被安置在太陽能場站中間的一棟小建筑內(nèi)。在建筑內(nèi)，可能有一列或多列每列約有50個(gè)反應(yīng)器的列車。我們認(rèn)為這可以是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，可以通過向傳送帶上添加反應(yīng)器來擴(kuò)大氫氣生產(chǎn)規(guī)模。”

這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院機(jī)械工程研究與教育中心和南方科技大學(xué)的支持。