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據(jù)報道，麻省理工學院(MIT)的工程師們想生產(chǎn)完全綠色的、無碳的氫燃料，使用一種新的、類似火車的、完全由太陽驅(qū)動的反應(yīng)堆系統(tǒng)。
在最近發(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“太陽能熱化學氫”(STCH)。該系統(tǒng)利用太陽的熱量直接分解水并產(chǎn)生氫——一種清潔的燃料，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。
如今，氫氣主要是利用天然氣和其他化石燃料作為能源而進行生產(chǎn)的，這使得從生產(chǎn)開始到最終使用，這種原本綠色的燃料更像是一種“灰色”能源。相比之下，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)。
然而，到目前為止，現(xiàn)有的STCH設(shè)計效率有限：只有大約7%的射入陽光被用來制造氫氣。迄今為止的結(jié)果是低產(chǎn)量和高成本。
麻省理工學院的研究小組估計，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、負擔得起的選擇，以幫助運輸行業(yè)脫碳。
該研究的主要作者Ahmed Ghoniem教授表示，“我們認為氫是未來的燃料，有必要廉價、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。”
具體而言，與其他提出的設(shè)計類似，MIT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其分解水并產(chǎn)生氫氣。
值得注意的事，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氣，留下氫氣。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。
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氣從反應(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。
研究人員對概念設(shè)計進行了詳細的模擬，發(fā)現(xiàn)它將顯著提高太陽能熱化學制氫的效率，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，”Ghoniem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。”
明年，該團隊將建立一個系統(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)施中進行測試。
