麻省理工学院的设计将利用40%的太阳热量来生产清洁的氢燃料

麻省理工学院的工程师的目标是通过完全由太阳驱动的新型火车式反应堆系统生产完全绿色、无碳的氢燃料。

在今天发表在《太阳能 杂志》上的一项研究中，工程师们提出了一个可以有效生产“太阳能热化学氢”的系统的概念设计。该系统利用太阳的热量直接分解水并产生氢气 – 一种清洁燃料，可以为长途卡车，轮船和飞机提供动力，同时在此过程中不排放温室气体。

今天，氢气主要是通过涉及天然气和其他化石燃料的过程生产的，这使得原本绿色燃料从生产开始到最终使用时更像是一种“灰色”能源。相比之下，太阳能热化学氢（STCH）提供了一种完全无排放的替代品，因为它完全依靠可再生太阳能来驱动氢气生产。但到目前为止，现有的STCH设计效率有限：只有大约7%的入射阳光用于制造氢气。到目前为止，结果是低产量和高成本。

在实现太阳能燃料的一大步中，麻省理工学院的研究小组估计其新设计可以利用高达40%的太阳热量来产生更多的氢气。效率的提高可以降低系统的总体成本，使STCH成为潜在的可扩展，负担得起的选择，以帮助运输行业脱碳。

“我们认为氢是未来的燃料，需要廉价和大规模地生产它，”该研究的主要作者，麻省理工学院机械工程罗纳德·C·克兰教授艾哈迈德·戈尼姆说。“我们正在努力实现能源部的目标，即到2030年以每公斤1美元的价格生产绿色氢。为了提高经济效益，我们必须提高效率，并确保我们收集的大部分太阳能都用于生产氢气。

Ghoniem的研究合著者是第一作者和麻省理工学院博士后Aniket Patankar;哈里·图勒，麻省理工学院材料科学与工程教授;滑铁卢大学的吴晓宇;以及韩国梨花女子大学的崔元宰。

太阳能发电站

与其他拟议的设计类似，麻省理工学院系统将与现有的太阳热源配对，例如聚光太阳能发电厂（CSP） – 一个由数百个镜子组成的圆形阵列，收集并将阳光反射到中央接收塔。然后，STCH系统吸收接收器的热量，并将其引导至分解水并产生氢气。这个过程与电解非常不同，电解使用电而不是热量来分解水。

概念性STCH系统的核心是两步热化学反应。第一步，蒸汽形式的水暴露在金属中。这导致金属从蒸汽中获取氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于铁在水存在下的生锈，但发生得更快。一旦氢气被分离，氧化（或生锈）的金属在真空中重新加热，这起到逆转生锈过程并使金属再生的作用。去除氧气后，金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以产生更多的氢气。这个过程可以重复数百次。

MIT 系统旨在优化此过程。整个系统类似于在圆形轨道上运行的箱形反应堆列车。实际上，该轨道将围绕太阳能热源设置，例如CSP塔。火车中的每个反应器都将容纳经历氧化还原或可逆生锈过程的金属。

每个反应堆将首先通过一个热站，在那里它将暴露在高达1,500摄氏度的太阳热量下。这种极端热量将有效地将氧气从反应堆的金属中抽出。然后，这种金属将处于“还原”状态 – 准备从蒸汽中获取氧气。为此，反应堆将移动到温度约为1,000°C的冷却站，在那里它将暴露在蒸汽中以产生氢气。

铁锈和导轨

其他类似的STCH概念遇到了一个共同的障碍：如何处理还原反应器在冷却时释放的热量。如果不回收和再利用这些热量，系统的效率太低而不实用。

第二个挑战与创造一种节能的真空有关，金属可以在其中除锈。一些原型使用机械泵产生真空，尽管这些泵对于大规模制氢来说过于耗能且成本高昂。

为了应对这些挑战，MIT设计采用了几种节能解决方法。为了回收大部分原本会从系统中逸出的热量，允许圆形轨道两侧的反应堆通过热辐射交换热量;热反应堆被冷却，而冷反应堆被加热。这样可以将热量保持在系统内。研究人员还增加了第二组反应堆，这些反应堆将围绕第一列火车旋转，朝相反的方向移动。这种反应堆的外部列车将在通常较冷的温度下运行，并将用于从较热的内层列车中排出氧气，而无需耗能的机械泵。

这些外部反应堆将携带第二种金属，也很容易氧化。当它们绕圈时，外部反应堆将从内部反应堆吸收氧气，有效地去除原始金属的锈迹，而无需使用能源密集型真空泵。两个反应堆列车都将连续运行，并将为单独的纯氢和氧流提供能量。

研究人员对概念设计进行了详细的模拟，发现它将显着提高太阳能热化学制氢的效率，从以前的设计所证明的7%提高到40%。

“我们必须考虑系统中的每一点能源，以及如何使用它，以最大限度地降低成本，”Ghoniem说。“通过这种设计，我们发现一切都可以由来自太阳的热量提供动力。它能够利用太阳40%的热量来生产氢气。

“如果这能够实现，它可能会彻底改变我们的能源未来 – 即实现24/7的氢气生产，”亚利桑那州立大学化学工程助理教授Christopher Muhich说，他没有参与这项研究。“制造氢气的能力是从阳光中生产液体燃料的关键。

明年，该团队将建立一个系统的原型，他们计划在能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试，该实验室目前正在资助该项目。

“当完全实施时，该系统将被安置在太阳能场中间的一座小建筑中，”Patankar解释说。“在建筑物内，可能有一列或多列火车，每列火车有大约50个反应堆。我们认为这可能是一个模块化系统，您可以在传送带上添加反应堆，以扩大氢气生产。

这项工作得到了麻省理工学院和南方科技大学机械工程研究与教育中心的支持。