麻省理工學院(MIT)的工程師們的目標是用一種完全由太陽能驅動的新型組串式反應堆系統生產綠色、無碳的氫燃料。
在近日發表在《太陽能雜志》上的一項研究中，工程師們提出了一個系統的概念設計，該系統可以有效地產生“太陽能熱化學氫”。該系統利用太陽的熱量直接分解水并產生氫，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的。相比之下，太陽能熱化學氫(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動氫的生產。但到目前為止，現有的STCH設計效率有限：只有大約7%的入射陽光能量被用來制造氫氣，結果是低產量和高成本。
麻省理工學院的研究小組估計，他們的新設計可以利用高達40%的太陽熱量來產生更多的氫氣，這是實現太陽能燃料的一大步。效率的提高可以降低系統的總體成本，使STCH成為一個潛在的可擴展的、負擔得起的選擇，以幫助運輸行業脫碳。
該研究的主要作者、麻省理工學院羅納德?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、大規模地生產氫。”
“我們正在努力實現能源部的目標，即到2030年以每公斤1美元的價格生產綠色氫。為了提高經濟效益，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氫氣。”
太陽能電站
與其他提出的設計類似，麻省理工學院的系統將與現有的太陽能熱源相結合，比如聚光太陽能發電廠(CSP)――一個由數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系統吸收接收器的熱量并引導其分解水并產生氫氣。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系統的核心是兩步熱化學反應。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生更多的氫，這個過程可以重復數百次。
麻省理工學院的系統旨在優化這一過程。整個系統就像一列在圓形軌道上運行的箱形反應堆列車。在實踐中，這條軌道將被設置在太陽能熱源周圍，比如CSP塔。列車上的每個反應堆都將容納經過氧化還原或可逆生銹過程的金屬。
每個反應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堆的金屬中抽出。然后，這種金屬將處于“還原”狀態――準備從蒸汽中吸收氧氣。為了實現這一目標，反應堆將轉移到一個溫度在1000攝氏度左右的較冷的站，在那里它將暴露在蒸汽中產生氫氣。
(關鍵字：太陽能)
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