麻省理工學院(yuan)（MIT）的工程(cheng)師們的目標(biao)是用一種完全(quan)由(you)太陽能驅動的新型火車式反應堆系(xi)統生產綠色、無(wu)碳的氫燃(ran)料。

在今(jin)天發表(biao)在《太陽能(neng)雜志》上的(de)一(yi)(yi)項研(yan)究中(zhong)，工程(cheng)師們提(ti)出了一(yi)(yi)個(ge)系統(tong)(tong)(tong)的(de)概念(nian)設計(ji)，該系統(tong)(tong)(tong)可以(yi)有效地產(chan)生“太陽能(neng)熱化(hua)學(xue)氫”。該系統(tong)(tong)(tong)利用太陽的(de)熱量直接分解水并(bing)產(chan)生氫——一(yi)(yi)種清潔的(de)燃料，可以(yi)為(wei)長途卡車、輪船和飛機提(ti)供動力(li)，同時在這個(ge)過程(cheng)中(zhong)不會排(pai)放溫(wen)室(shi)氣體。

如今，氫氣主要是(shi)通(tong)過涉及天然氣和其他化(hua)石(shi)燃(ran)料的(de)(de)過程生(sheng)產的(de)(de)，這(zhe)使得從生(sheng)產開始到最終(zhong)使用，這(zhe)種原本(ben)綠色的(de)(de)燃(ran)料更像是(shi)一種“灰色”能源。

相比之(zhi)下，太(tai)陽能(neng)熱化學氫(STCH)提(ti)供了一種完全零(ling)排放的替(ti)代(dai)方案，因為它完全依賴可再生太(tai)陽能(neng)來(lai)驅動(dong)氫的生產(chan)。但到目前(qian)為止，現有(you)的STCH設計效率有(you)限：只有(you)大(da)約(yue)7%的入射陽光(guang)被用來(lai)制造氫氣。迄今為止的結(jie)果(guo)是低(di)產(chan)量和高成本(ben)。

麻(ma)省理工學院的(de)(de)(de)研究小組(zu)估(gu)計，他們的(de)(de)(de)新(xin)設計可以(yi)(yi)利用高達40%的(de)(de)(de)太(tai)陽熱量來(lai)產生更多的(de)(de)(de)氫氣(qi)，這是實現(xian)太(tai)陽能(neng)燃料的(de)(de)(de)一大步。效(xiao)率的(de)(de)(de)提(ti)高可以(yi)(yi)降(jiang)低系統的(de)(de)(de)總體成本，使STCH成為一個(ge)潛在的(de)(de)(de)可擴展的(de)(de)(de)、負擔得起的(de)(de)(de)選擇，以(yi)(yi)幫助運輸行業脫碳(tan)。

該(gai)研究(jiu)的主要(yao)作者、麻(ma)省(sheng)理工(gong)學院羅(luo)納德(de)·C·克蘭機械(xie)工(gong)程教授(shou)艾哈(ha)邁德(de)·高尼姆(mu)說(shuo)：“我們(men)認為(wei)氫(qing)是未來的燃料，我們(men)需要(yao)廉價、大規模地生(sheng)產(chan)氫(qing)。”

“我們正在努力實現能源部(bu)的(de)目標，即到2030年以每公斤(jin)1美元的(de)價格生(sheng)產(chan)(chan)綠色氫。為了提高經(jing)濟效益，我們必須提高效率，并(bing)確保我們收集的(de)大部(bu)分(fen)太陽能用于生(sheng)產(chan)(chan)氫氣。”

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

太陽能電站

與其(qi)(qi)他提出(chu)的(de)設計類(lei)似，麻(ma)省理(li)工學(xue)院的(de)系統將(jiang)與現有的(de)太陽(yang)能熱源相(xiang)結合，比(bi)如聚光(guang)太陽(yang)能發(fa)電(dian)廠(CSP)——一個由數百面鏡(jing)子(zi)組成的(de)圓(yuan)形陣列，收集陽(yang)光(guang)并將(jiang)其(qi)(qi)反射到中央接(jie)收塔。

然后STCH系(xi)統吸收接(jie)收器的熱(re)量(liang)并引導其分解(jie)水(shui)并產生(sheng)氫氣。這個過程與電解(jie)非常(chang)不同，電解(jie)使用電而(er)不是熱(re)來分解(jie)水(shui)。

概念性(xing)STCH系統的(de)核心是兩步(bu)熱化學反應(ying)。在第一步(bu)中(zhong)(zhong)，水以蒸汽(qi)的(de)形式(shi)暴露在金(jin)(jin)屬中(zhong)(zhong)。這(zhe)使得金(jin)(jin)屬從(cong)蒸汽(qi)中(zhong)(zhong)吸收(shou)氧氣，留下氫氣。

這種金屬“氧化(hua)”類(lei)似于(yu)鐵在水(shui)中(zhong)的生(sheng)銹(xiu)，但(dan)發生(sheng)的速度(du)要快(kuai)得多。一旦氫(qing)(qing)被分離，氧化(hua)(或(huo)生(sheng)銹(xiu))的金屬在真空中(zhong)重(zhong)新(xin)加(jia)熱，這可(ke)以(yi)逆轉生(sheng)銹(xiu)過程并(bing)使金屬再生(sheng)。除去氧氣后，金屬可(ke)以(yi)冷卻并(bing)再次暴露在蒸汽中(zhong)以(yi)產生(sheng)更多的氫(qing)(qing)。這個過程可(ke)以(yi)重(zhong)復數(shu)百次。

麻省理工(gong)學院(yuan)的系統旨(zhi)在優(you)化(hua)這一過(guo)程(cheng)。整個系統就像一列在圓形軌道(dao)上(shang)運行(xing)的箱形反(fan)(fan)應堆列車(che)。在實踐(jian)中，這條軌道(dao)將被設(she)置在太陽能(neng)熱源周(zhou)圍，比如CSP塔。列車(che)上(shang)的每個反(fan)(fan)應堆都將容納(na)經過(guo)氧化(hua)還原或可逆生(sheng)銹過(guo)程(cheng)的金屬。

每個反應堆(dui)將(jiang)(jiang)首先通(tong)過(guo)一個熱(re)站，在(zai)那里(li)它將(jiang)(jiang)暴露(lu)(lu)在(zai)高(gao)達(da)1500攝(she)氏度的(de)太陽熱(re)量(liang)下。這種(zhong)極端的(de)高(gao)溫會有效地將(jiang)(jiang)氧(yang)氣從(cong)反應堆(dui)的(de)金屬(shu)中抽出。然后，這種(zhong)金屬(shu)將(jiang)(jiang)處于“還(huan)原”狀態——準備從(cong)蒸汽中吸收氧(yang)氣。為了實(shi)現這一目(mu)標，反應堆(dui)將(jiang)(jiang)轉(zhuan)移到一個溫度在(zai)1000攝(she)氏度左右(you)的(de)較冷(leng)的(de)站，在(zai)那里(li)它將(jiang)(jiang)暴露(lu)(lu)在(zai)蒸汽中產生氫氣。

鐵銹和鐵軌

其他類似的STCH概念遇到了一個(ge)共同的障礙(ai)：如(ru)何處理反應堆(dui)在冷(leng)卻(que)時釋放的熱量。如(ru)果不回收和再利用(yong)這些熱量，系統的效率(lv)太低，無法投入實際應用(yong)。

第二個挑(tiao)戰是如(ru)何創造一種節能的(de)真空(kong)環境，使金屬能夠除銹。一些(xie)原型(xing)機(ji)使用(yong)機(ji)械泵產(chan)生真空(kong)，盡管(guan)這種泵對大規模氫氣生產(chan)來說過于耗能和昂貴。

為(wei)了(le)應(ying)對這些(xie)挑戰，麻省理(li)工(gong)學院的設計結合了(le)幾種節能解決方案(an)。為(wei)了(le)回(hui)收大部分原本(ben)會從系(xi)統(tong)中逸出的熱(re)(re)量(liang)，環形軌道兩側的反應(ying)堆被允許(xu)通過熱(re)(re)輻射交換熱(re)(re)量(liang)；熱(re)(re)反應(ying)堆冷卻(que)，而冷反應(ying)堆加(jia)熱(re)(re)。這使熱(re)(re)量(liang)保持在(zai)系(xi)統(tong)內(nei)。

研究(jiu)人員還增加(jia)了第二(er)組反(fan)應堆，它們將圍繞第一列(lie)火車，朝(chao)相(xiang)反(fan)的方向運(yun)動。這(zhe)種反(fan)應堆的外(wai)部列(lie)車將在(zai)通常(chang)較低的溫度下運(yun)行，并將用于從較熱的內部列(lie)車中(zhong)抽(chou)出氧氣，而不需要(yao)高耗能的機(ji)械泵。

這(zhe)些外(wai)部(bu)反(fan)應堆將攜(xie)帶第二種(zhong)(zhong)金屬，這(zhe)種(zhong)(zhong)金屬也很容易被氧(yang)(yang)化。當它(ta)們繞圈時，外(wai)部(bu)反(fan)應堆會從內部(bu)反(fan)應堆中吸收氧(yang)(yang)氣，從而有效地消除原(yuan)始金屬的銹蝕，而無需使用能源密集型真(zhen)空(kong)泵。兩組反(fan)應堆將連續運行，并產(chan)生單獨的純(chun)氫和(he)純(chun)氧(yang)(yang)流。

研究人員(yuan)對概念設(she)計(ji)進(jin)行了(le)詳(xiang)細的模擬，發(fa)現(xian)它(ta)將(jiang)顯(xian)著提(ti)(ti)高(gao)太(tai)陽(yang)能(neng)熱化學制氫的效率，從之(zhi)前設(she)計(ji)的7%提(ti)(ti)高(gao)到40%。

“我們必(bi)須(xu)考慮系(xi)統(tong)中的(de)每一(yi)點能量，以及如何使用它，以最大限度地降低(di)成本(ben)，”高尼姆說。“通(tong)過這(zhe)種設計，我們發(fa)現一(yi)切都可以通(tong)過來(lai)自(zi)太陽的(de)熱(re)量來(lai)提供動力。它能夠利用40%的(de)太陽熱(re)量來(lai)產生氫氣。”

評價與展望

亞利桑那(nei)州立大學化學工程助理教授(shou)克里斯托弗·穆(mu)希奇(Christopher Muhich)沒有參與這(zhe)項研究，他說(shuo)(shuo)：“如(ru)果這(zhe)能實現(xian)，它將徹底改變我們(men)的能源(yuan)未(wei)來(lai)——也就是說(shuo)(shuo)，使氫氣生(sheng)產成為可能。”

“制造氫的能力(li)是(shi)利用(yong)陽光生產液體燃料的關(guan)鍵(jian)。”

明年，該(gai)團隊將建立(li)一個系(xi)統的原型，他們計(ji)劃在(zai)目(mu)(mu)前資助該(gai)項目(mu)(mu)的能(neng)源部實驗室的集中(zhong)太陽(yang)能(neng)發電設施中(zhong)進行測試。

當完全實施(shi)后(hou)，這個系(xi)統將(jiang)被安置(zhi)在(zai)太陽能中心的一棟(dong)小(xiao)建筑里(li)。

“在這棟建筑里，可能有(you)一列或多列火車，每(mei)列火車都有(you)大約50個(ge)反應堆(dui)。我們認為這可能是一個(ge)模塊(kuai)化系統(tong)，你可以在傳送帶上增加反應堆(dui)，以擴大氫氣的生產。”