麻省理工學院的工程師設計了一種可以有效生產「太陽能熱化學氫」的系統。它利用太陽的熱量分解水並產生氫氣，這是一種清潔燃料，可為長途卡車、船舶和飛機提供動力，在此過程中溫室氣體排放為零。
在《太陽能雜誌》上發表的一項研究中，工程師概述了能夠有效生產「太陽能熱化學氫」的系統的概念設計。該系統利用太陽的熱量直接分解水並產生氫氣，這是一種清潔燃料，可以為長途卡車、船舶和飛機提供動力，而不排放溫室氣體。
目前，氫氣主要透過涉及天然氣和其他化石燃料的製程生產，從生產開始到最終使用，使得這種綠色燃料更像是一種「灰色」能源。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，因為它完全依靠可再生太陽能來驅動氫氣生產。然而，迄今為止，現有的 STCH 設計效率有限：只有約 7% 的入射陽光用於生產氫氣。迄今為止的結果是產量低、成本高。
麻省理工學院團隊估計，其新設計可以利用多達 40% 的太陽熱量來產生更多的氫氣，這是朝著利用太陽生產燃料邁出的一大步。提高效率可以降低系統的整體成本，使 STCH 成為潛在的可擴展且經濟高效的選擇，有助於交通運輸產業的脫碳。相比之下，最有效的多層光伏電池能夠將 32% 的太陽能轉化為能源。
與其他建議項目類似，麻省理工學院的系統將與現有的太陽能熱源配對，例如聚光太陽能發電廠（CSP）：由數百個鏡子組成的圓形區域，收集陽光並將其反射回中央接收器塔。然後，STCH 系統將從塔中吸收熱量並引導其分解水並產生氫氣。這個過程與電解有很大不同，電解是用電力而不是熱量來分解水。
STCH 概念系統的核心是兩相熱化學反應。在第一階段，水蒸氣形式暴露於金屬。這導致金屬從蒸氣中吸收氧氣，留下氫氣。金屬的這種「氧化」類似於鐵在水存在下生鏽，但發生得更快。一旦氫氣被分離出來，氧化（或生鏽）的金屬就會在真空下加熱，從而逆轉生鏽過程並使金屬再生。除去氧氣後，金屬可以冷卻並再次暴露於蒸汽以產生更多的氫氣。這個過程可以重複數百次。
該研究的主要作者、麻省理工學院機械工程教授艾哈邁德·戈尼姆（Ahmed Ghoniem）表示：「我們正在將氫視為未來的燃料，並且需要廉價且大規模地生產它。我們正在努力實現能源部的目標，即到 2030 年以每公斤 1 美元的價格生產綠氫。為了提高經濟效益，我們需要提高效率並確保我們收集的大部分太陽能用於氫氣生產。”
Ghoniem 研究的作者是 Aniket Patankar，第一作者、麻省理工學院博士後研究員； Harry Tuller，麻省理工學院材料科學與工程教授；滑鐵盧大學的Xiao-Yu Wu；和韓國梨花女子大學的 Wonjae Choi。
MIT 系統旨在優化此流程。整個系統就像一個在圓形軌道上運行的箱形反應器列車。實際上，這條軌道將圍繞太陽能熱源設置，例如 CSP 塔。列車中的每個反應器都裝有經歷氧化還原或可逆生鏽過程的金屬。
每個反應器首先要經過一個高溫站，在那裡它會暴露在溫度超過 1,500 攝氏度的太陽熱量下。這種極端的熱量可以有效地從金屬反應器中提取氧氣。然後，該金屬將處於「還原」狀態，準備從蒸氣中吸收氧氣。為此，反應爐將被移至溫度約為 1000 攝氏度的冷卻站，在那裡它將暴露在蒸汽中以產生氫氣。
反應爐“火車”
熱量分佈和脫氧問題
其他類似的 STCH 概念都遇到了一個共同的障礙：如何處理還原反應器在冷卻過程中釋放的熱量。如果不回收再利用這些熱量，系統的效率就會太低而無法實用。
第二個問題涉及能量真空的產生，金屬可以在其中脫脂。一些原型使用機械泵產生真空，儘管這些泵對於大規模氫氣生產來說能源密集且昂貴。
為了應對這些挑戰，麻省理工學院的設計融入了多種節能功能。為了回收大部分從系統中逸出的熱量，圓形軌道兩側的反應器可以透過熱輻射交換熱量；熱反應器冷卻，而冷反應器升溫。這樣可以將熱量保留在系統內。研究人員還添加了第二組反應堆，圍繞著第一列火車，朝相反的方向移動。此反應器的外部序列通常在較低的溫度下運行，並用於從較熱的內部序列中排出氧氣，而不需要耗能的機械泵。
這些外部反應器將帶來第二種容易氧化的金屬。當它們循環時，外部反應器會從內部反應器吸收氧氣，有效地逆轉原始金屬的氧化，而不需要消耗能源的真空幫浦。兩個反應器系列將連續運作並產生單獨的純氫氣和氧氣流。
研究人員對概念設計進行了詳細模擬，發現它將顯著提高太陽能熱化學製氫的效率，從先前專案證明的 7% 提高到 40%。
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麻省理工學院設計了一種利用太陽能分解水的非常有效的系統的文章來自《經濟情景》 。
這是在 Sun, 22 Oct 2023 05:30:49 +0000 在 https://scenarieconomici.it/il-mit-progetta-un-sistema-molto-efficiente-per-scindere-lacqua-tramite-lenergia-solare/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。