中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：麻省理工學(xué)院的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)能夠高效制氫的“光熱制氫”系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)的熱能來(lái)分解水并產(chǎn)生氫氣。
氫能被很多人認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳中和的最關(guān)鍵一環(huán)。但目前全球生產(chǎn)的氫能大多以灰氫（化石能源為原料的氫）為主。如何高效、低成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模綠氫（無(wú)碳排放氫氣）是擺在能源行業(yè)面前的重要任務(wù)。
麻省理工認(rèn)為，光熱制氫（STCH）提供了一種完全零排放的替代方案，因?yàn)樗耆蕾?lài)可再生太陽(yáng)能來(lái)推動(dòng)氫氣生產(chǎn)。但到目前為止，現(xiàn)有的STCH設(shè)計(jì)效率有限：只有約7%的太陽(yáng)光用于生成氫氣，而且產(chǎn)量較低且成本較高。
麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)邁出了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)制造燃料的重要一步，他們估計(jì)新設(shè)計(jì)可以利用太陽(yáng)熱能的40%來(lái)生成更多氫氣。效率的提高可以降低系統(tǒng)的總成本，使STCH成為一個(gè)有潛力的可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。
該研究的首席科學(xué)家、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Ahmed Ghoniem表示：“我們將氫氣視為未來(lái)的燃料，需要低成本、大規(guī)模生成氫氣。為了改善經(jīng)濟(jì)效益，我們必須提高效率，并確保提高太陽(yáng)能制氫的效率。”
Ghoniem的研究合著者包括麻省理工學(xué)院博士后Aniket Patankar，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(guó)的Ewha女子大學(xué)的Wonjae Choi。
麻省理工學(xué)院的STCH系統(tǒng)將與現(xiàn)有的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)匹配，STCH系統(tǒng)吸收接收器的熱量，將其用于分解水并生產(chǎn)氫氣。這個(gè)過(guò)程與電解不同，電解使用電而不是熱來(lái)分解水。
STCH系統(tǒng)的核心是一個(gè)兩步熱化學(xué)反應(yīng)。在第一步中，以蒸汽形式存在的水暴露在金屬中。這導(dǎo)致金屬?gòu)恼羝袏Z取氧氣，留下氫氣。這種金屬“氧化”類(lèi)似于金屬在水的存在下生銹，但發(fā)生得快得多。一旦分離出氫氣，被氧化（或生銹）的金屬會(huì)在真空中重新加熱，這有助于逆轉(zhuǎn)生銹過(guò)程并再生金屬。去除氧氣后，金屬可以冷卻并再次暴露在蒸汽中以生產(chǎn)更多氫氣。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)數(shù)百次。
麻省理工學(xué)院的這一套系統(tǒng)旨在優(yōu)化這個(gè)過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似于一個(gè)運(yùn)行在圓形軌道上的方形反應(yīng)器列車(chē)。在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)軌道將設(shè)置在太陽(yáng)能熱源（如CSP塔）周?chē)?。列?chē)中的每個(gè)反應(yīng)器將容納經(jīng)歷可逆性生銹過(guò)程的金屬。
每個(gè)反應(yīng)器首先會(huì)通過(guò)一個(gè)高溫站，暴露在高達(dá)1500攝氏度的太陽(yáng)熱能中。這種極端高溫會(huì)有效地將氧氣從反應(yīng)器的金屬中抽出。然后，金屬會(huì)處于“還原”狀態(tài)，準(zhǔn)備從蒸汽中奪取氧氣。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，反應(yīng)器會(huì)移動(dòng)到一個(gè)溫度約為1000攝氏度的冷卻站，暴露在蒸汽中以產(chǎn)生氫氣。
其他類(lèi)似的STCH設(shè)計(jì)都遇到了一個(gè)常見(jiàn)的障礙：如何處理從冷卻的反應(yīng)器中釋放的熱量。如果不回收和重復(fù)使用這些熱量，系統(tǒng)的效率將太低，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。第二個(gè)挑戰(zhàn)涉及創(chuàng)建一個(gè)高能效的真空環(huán)境，以便金屬可以在其中去除銹。一些原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用機(jī)械泵來(lái)產(chǎn)生真空，盡管這些泵對(duì)于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)來(lái)說(shuō)既耗能又昂貴。
為解決這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的設(shè)計(jì)采用了幾種節(jié)能的解決方案。為了回收那些本來(lái)會(huì)從系統(tǒng)中逃逸的大部分熱量，位于圓形軌道相對(duì)的反應(yīng)器允許通過(guò)熱輻射互相交換熱量；熱反應(yīng)器被冷卻，而冷反應(yīng)器則被加熱。這使熱量保留在系統(tǒng)內(nèi)。
研究人員還添加了第二組反應(yīng)器，將繞著第一列火車(chē)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(wú)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(wú)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(duì)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(yáng)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?！痹诮酉聛?lái)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(yáng)能場(chǎng)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(chē)。我們認(rèn)為這可以是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，可以通過(guò)向傳送帶上添加反應(yīng)器來(lái)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。
