麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們的目標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。

在近日發(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展的、負擔(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?克蘭機械工程教授艾哈邁德?高尼姆表示：“我們認為氫是未來的燃料，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，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)――準備從蒸汽中吸收氧氣。為了實現(xiàn)這一目標，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。

(關(guān)鍵字：太陽能)