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(yáng)能驅(qū)動(dòng)的新型組串式反應(yīng)堆系統(tǒng)生產(chǎn)綠色、無(wú)碳的氫燃料。

在近日發(fā)表在《太陽(yáng)能雜志》上的一項(xiàng)研究中，工程師們提出了一個(gè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以有效地產(chǎn)生“太陽(yáng)能熱化學(xué)氫”。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)的熱量直接分解水并產(chǎn)生氫，可以為長(zhǎng)途卡車(chē)、輪船和飛機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)排放溫室氣體。

目前，氫氣主要是通過(guò)天然氣、煤炭和其他化石燃料生產(chǎn)的。相比之下，太陽(yáng)能熱化學(xué)氫(STCH)提供了一種完全零排放的替代方案，因?yàn)樗�完全依�?lài)可再生太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)氫的生產(chǎn)。但到目前為止，現(xiàn)有的STCH設(shè)計(jì)效率有限：只有大約7%的入射陽(yáng)光能量被用來(lái)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(jì)，他們的新設(shè)計(jì)可以利用高達(dá)40%的太陽(yáng)熱量來(lái)產(chǎn)生更多的氫氣，這是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(gè)潛在的可擴(kuò)展的、負(fù)擔(dān)得起的選擇，以幫助運(yùn)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(lái)的燃料，我們需要廉價(jià)、大規(guī)模地生產(chǎn)氫。”

“我們正在努力實(shí)現(xiàn)能源部的目標(biāo)，即到2030年以每公斤1美元的價(jià)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(yáng)能用于生產(chǎn)氫氣。”

太陽(yáng)能電站

與其他提出的設(shè)計(jì)類(lèi)似，麻省理工學(xué)院的系統(tǒng)將與現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱源相結(jié)合，比如聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠(CSP)――一個(gè)由數(shù)百面鏡子組成的圓形陣列，收集陽(yáng)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(gè)過(guò)程與電解非常不同，電解使用電而不是熱來(lái)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?gòu)恼羝�中吸收氧，留下氫。這種金屬“氧化”類(lèi)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(guò)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(gè)過(guò)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(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)就像一列在圓形軌道上運(yùn)行的箱形反應(yīng)堆列車(chē)。在實(shí)踐中，這條軌道將被設(shè)置在太陽(yáng)能熱源周?chē)�，比如CSP塔。列車(chē)上的每個(gè)反應(yīng)堆都將容納經(jīng)過(guò)氧化還原或可逆生銹過(guò)程的金屬。

每個(gè)反應(yīng)堆將首先通過(guò)一個(gè)熱站，在那里它將暴露在高達(dá)1500攝氏度的太陽(yáng)熱量下。這種極端的高溫會(huì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，反應(yīng)堆將轉(zhuǎn)移到一個(gè)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(yáng)能)