麻省理工學(xué)院的工程師們設(shè)計了一個能夠高效制氫的“光熱制氫”系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽的熱能來分解水并產(chǎn)生氫氣。

??氫能被很多人認(rèn)為是實現(xiàn)碳中和的最關(guān)鍵一環(huán)。但目前全球生產(chǎn)的氫能大多以灰氫（化石能源為原料的氫）為主。如何高效、低成本實現(xiàn)大規(guī)模綠氫（無碳排放氫氣）是擺在能源行業(yè)面前的重要任務(wù)。

??麻省理工認(rèn)為，光熱制氫（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推動氫氣生產(chǎn)。但到目前為止，現(xiàn)有的STCH設(shè)計效率有限：只有約7%的太陽光用于生成氫氣，而且產(chǎn)量較低且成本較高。

??麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊邁出了實現(xiàn)太陽制造燃料的重要一步，他們估計新設(shè)計可以利用太陽熱能的40%來生成更多氫氣。效率的提高可以降低系統(tǒng)的總成本，使STCH成為一個有潛力的可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)實惠的選擇。

??該研究的首席科學(xué)家、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Ahmed Ghoniem表示：“我們將氫氣視為未來的燃料，需要低成本、大規(guī)模生成氫氣。為了改善經(jīng)濟(jì)效益，我們必須提高效率，并確保提高太陽能制氫的效率。”

??Ghoniem的研究合著者包括麻省理工學(xué)院博士后Aniket Patankar，材料科學(xué)與工程教授Harry Tuller，滑鐵盧大學(xué)的Xiao-Yu Wu以及韓國的Ewha女子大學(xué)的Wonjae Choi。

??麻省理工學(xué)院的STCH系統(tǒng)將與現(xiàn)有的太陽能光熱系統(tǒng)匹配，STCH系統(tǒng)吸收接收器的熱量，將其用于分解水并生產(chǎn)氫氣。這個過程與電解不同，電解使用電而不是熱來分解水。

??STCH系統(tǒng)的核心是一個兩步熱化學(xué)反應(yīng)。在第一步中，以蒸汽形式存在的水暴露在金屬中。這導(dǎo)致金屬從蒸汽中奪取氧氣，留下氫氣。這種金屬“氧化”類似于金屬在水的存在下生銹，但發(fā)生得快得多。一旦分離出氫氣，被氧化（或生銹）的金屬會在真空中重新加熱，這有助于逆轉(zhuǎn)生銹過程并再生金屬。去除氧氣后，金屬可以冷卻并再次暴露在蒸汽中以生產(chǎn)更多氫氣。這個過程可以重復(fù)數(shù)百次。

??麻省理工學(xué)院的這一套系統(tǒng)旨在優(yōu)化這個過程。整個系統(tǒng)類似于一個運(yùn)行在圓形軌道上的方形反應(yīng)器列車。在實際應(yīng)用中，這個軌道將設(shè)置在太陽能熱源（如CSP塔）周圍。列車中的每個反應(yīng)器將容納經(jīng)歷可逆性生銹過程的金屬。

??每個反應(yīng)器首先會通過一個高溫站，暴露在高達(dá)1500攝氏度的太陽熱能中。這種極端高溫會有效地將氧氣從反應(yīng)器的金屬中抽出。然后，金屬會處于“還原”狀態(tài)，準(zhǔn)備從蒸汽中奪取氧氣。為了實現(xiàn)這一點，反應(yīng)器會移動到一個溫度約為1000攝氏度的冷卻站，暴露在蒸汽中以產(chǎn)生氫氣。

??其他類似的STCH設(shè)計都遇到了一個常見的障礙：如何處理從冷卻的反應(yīng)器中釋放的熱量。如果不回收和重復(fù)使用這些熱量，系統(tǒng)的效率將太低，無法實際應(yīng)用。第二個挑戰(zhàn)涉及創(chuàng)建一個高能效的真空環(huán)境，以便金屬可以在其中去除銹。一些原型設(shè)計系統(tǒng)使用機(jī)械泵來產(chǎn)生真空，盡管這些泵對于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)來說既耗能又昂貴。

??為解決這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的設(shè)計采用了幾種節(jié)能的解決方案。為了回收那些本來會從系統(tǒng)中逃逸的大部分熱量，位于圓形軌道相對的反應(yīng)器允許通過熱輻射互相交換熱量；熱反應(yīng)器被冷卻，而冷反應(yīng)器則被加熱。這使熱量保留在系統(tǒng)內(nèi)。

??研究人員還添加了第二組反應(yīng)器，將繞著第一列火車循環(huán)運(yùn)行，以相反的方向移動。這些外部反應(yīng)器將在通常較低的溫度下運(yùn)行，用于排出內(nèi)部反應(yīng)器中的氧氣，而無需消耗能源的機(jī)械泵提供能源。

??這些外部反應(yīng)器將攜帶第二種容易氧化的金屬。隨著它們的循環(huán)，外部反應(yīng)器將吸收內(nèi)部反應(yīng)器中的氧氣，有效地去除原金屬的銹，而無需使用能耗高昂的真空泵。兩列反應(yīng)器將持續(xù)運(yùn)行，并分別生成純氫氣和氧氣。

??研究人員對概念設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，并發(fā)現(xiàn)它將顯著提高太陽能熱化學(xué)制氫的效率，從7％提高到40％。

??Ghoniem表示：“我們必須考慮利用系統(tǒng)中的每一點能量，并最小化成本?！痹诮酉聛淼囊荒昀?，該團(tuán)隊將建造該系統(tǒng)的原型機(jī)。

??Patankar解釋道：“當(dāng)設(shè)計實際運(yùn)行時，這個系統(tǒng)將被安置在太陽能場站中間的一棟小建筑內(nèi)。在建筑內(nèi)，可能有一列或多列每列約有50個反應(yīng)器的列車。我們認(rèn)為這可以是一個模塊化系統(tǒng)，可以通過向傳送帶上添加反應(yīng)器來擴(kuò)大氫氣生產(chǎn)規(guī)模?！?/div>