国际氢能新闻：麻省理工学院制绿氢新系统效率更高，成本料更低

飙叔科技洞察 2024-03-13

在最近发表在《太阳能杂志》上的一项研究中，工程师们提出了一个系统的概念设计，该系统可以有效地产生“太阳能热化学氢”（STCH）。该系统利用太阳的热量直接分解水并产生氢——一种清洁的燃料，可以为长途卡车、轮船和飞机提供动力，同时在这个过程中不会排放温室气体。

据报道，麻省理工学院（MIT）的工程师们想生产完全绿色的、无碳的氢燃料，使用一种新的、类似火车的、完全由太阳驱动的反应堆系统。

如今，氢气主要是利用天然气和其他化石燃料作为能源而进行生产的，这使得从生产开始到最终使用，这种原本绿色的燃料更像是一种“灰色”能源。相比之下，STCH提供了一种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的生产。

然而，到目前为止，现有的STCH设计效率有限：只有大约7%的射入阳光被用来制造氢气。迄今为止的结果是低产量和高成本。

麻省理工学院的研究小组估计，他们的新设计可以利用高达40%的太阳热量来产生更多的氢气，这是实现太阳能燃料的一大步。效率的提高可以降低系统的总体成本，使STCH成为一个潜在的可扩展的、负担得起的选择，以帮助运输行业脱碳。

该研究的主要作者Ahmed Ghoniem教授表示，“我们认为氢是未来的燃料，有必要廉价、大规模地生产氢。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用于生产氢气。”

具体而言，与其他提出的设计类似，MIT的系统将与现有的太阳能热源相结合，比如聚光太阳能发电厂（CSP）——一个由数百面镜子组成的圆形阵列，收集阳光并将其反射到中央接收塔。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。

值得注意的事，这个过程与电解非常不同，电解使用电而不是热来分解水。

概念性STCH系统的核心是两步热化学反应。在第一步中，水以蒸汽的形式暴露在金属中。这使得金属从蒸汽中吸收氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于铁在水中的生锈，但发生的速度要快得多。

一旦氢被分离，氧化（或生锈）的金属在真空中重新加热，这可以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在蒸汽中以产生更多的氢。这个过程可以重复数百次。

每个反应堆将首先通过一个热站，在那里它将暴露在高达1500摄氏度的太阳热量下。这种极端的高温会有效地将氧气从反应堆的金属中抽出。然后，这种金属将处于“还原”状态——准备从蒸汽中吸收氧气。为了实现这一目标，反应堆将转移到一个温度在1000摄氏度左右的较冷的站，在那里它将暴露在蒸汽中产生氢气。

研究人员对概念设计进行了详细的模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从之前设计的7%提高到40%。

“我们必须考虑系统中的每一点能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本，”Ghoniem说，“通过这种设计，我们发现一切都可以通过来自太阳的热量来提供动力。它能够利用40%的太阳热量来产生氢气。”

明年，该团队将建立一个系统的原型，他们计划在目前资助该项目的能源部实验室的集中太阳能发电设施中进行测试。

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