麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們的目標(biāo)是用一種完全由太陽能驅(qū)動的新型組串式反應(yīng)堆系統(tǒng)生產(chǎn)綠色、無碳的氫燃料。

在今天發(fā)表在《太陽能雜志》上的一項研究中，工程師們提出了一個系統(tǒng)的概念設(shè)計，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，可以為長途卡車、輪船和飛機(jī)提供動力，同時在這個過程中不會排放溫室氣體。

目前，氫氣主要是通過天然氣、煤炭和其他化石燃料生產(chǎn)的。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，因為它完全依賴可再生太陽能來驅(qū)動氫的生產(chǎn)。但到目前為止，現(xiàn)有的STCH設(shè)計效率有限：只有大約7%的入射陽光能量被用來制造氫氣，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，他們的新設(shè)計可以利用高達(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成為一個潛在的可擴(kuò)展的、負(fù)擔(dān)得起的選擇，以幫助運輸行業(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·高尼姆表示：“我們認(rèn)為氫是未來的燃料，我們需要廉價、大規(guī)模地生產(chǎn)氫。”

“我們正在努力實現(xiàn)能源部的目標(biāo)，即到2030年以每公斤1美元的價格生產(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。”

太陽能電站

與其他提出的設(shè)計類似，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，留下氫。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。整個系統(tǒng)就像一列在圓形軌道上運行的箱形反應(yīng)堆列車。在實踐中，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。

每個反應(yīng)堆將首先通過一個熱站，在那里它將暴露在高達(dá)1500攝氏度的太陽熱量下。這種極端的高溫會有效地將氧從反應(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。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，反應(yīng)堆將轉(zhuǎn)移到一個溫度在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概念遇到了一個共同的障礙：如何處理反應(yīng)堆在冷卻時釋放的熱量。如果不回收和再利用這些熱量，系統(tǒng)的效率太低，無法投入實際應(yīng)用。

第二個挑戰(zhàn)是如何創(chuàng)造一種節(jié)能的真空環(huán)境，使金屬能夠除銹再生。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)計結(jié)合了幾種節(jié)能解決方案。為了回收大部分原本會從系統(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，朝相反的方向運動。這種反應(yīng)堆的外部列車將在通常較低的溫度下運行，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，外部反應(yīng)堆會從內(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)運行，并產(chǎn)生單獨的純氫和純氧流。

研究人員對概念設(shè)計進(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)計的7%提高到40%。

“我們必須考慮系統(tǒng)中的每一點能量，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，我們發(fā)現(xiàn)一切都可以通過來自太陽的熱量來提供動力。它能夠利用40%的太陽熱量來產(chǎn)生氫氣。”

評價與展望

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)沒有參與這項研究，他說：“如果這能實現(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)隊將建立一個系統(tǒng)的原型，他們計劃在目前資助該項目的能源部實驗室的集中太陽能發(fā)電設(shè)施中進(jìn)行測試。當(dāng)完全實施后，這個系統(tǒng)將被安置在太陽能中心的一棟小建筑里。“在這棟建筑里，可能有一列或多列組串，每列組串都有大約50個反應(yīng)堆。我們認(rèn)為這可能是一個模塊化系統(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)。”