麻省理工學院的工程師們開發出一種新系統，利用一系列太陽驅動反應器生產無碳氫化合物燃料，將效率從7% 大幅提高到40%。他們創新的列車式反應器設計可使綠色氫氣生產具有可擴展性和經濟可行性。

在最近發表在《太陽能雜誌》上的一項研究中，工程師們闡述了一個可以高效生產”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裂水並產生氫氣，這是一種清潔燃料，可為長途卡車、船和飛機提供動力，同時在此過程中不會排放任何溫室氣體。

如今，氫主要是透過涉及天然氣和其他化石燃料的過程生產出來的，從生產開始到最終使用的整個過程來看，這種原本綠色的燃料更像是一種”灰色”能源。相較之下，太陽能熱化學氫氣生產（STCH）提供了一種完全無排放的替代能源，因為它完全依靠可再生的太陽能來驅動氫氣生產。但迄今為止，現有的STCH 設計效率有限： 只有大約7% 的太陽光被用來製氫，結果是產量低、成本高。

麻省理工學院的工程師們設計出了一種能有效利用太陽熱能分水製氫的系統。圖片來源：由Ahmed Ghoniem、Aniket Patankar 等人提供

麻省理工學院的研究團隊估計，他們的新設計可以利用多達40%的太陽熱能產生更多的氫氣，這是邁向實現太陽能燃料的一大步。效率的提升可以降低系統的整體成本，使STCH 成為一種潛在的、可擴展的、經濟實惠的選擇，幫助交通產業實現去碳化。

這項研究的第一作者、麻省理工學院機械工程羅納德-C-克蘭（Ronald C. Crane）教授艾哈邁德-高尼姆（Ahmed Ghoniem）說：”我們認為氫是未來的燃料，因此需要廉價、大規模地生成氫。我們正在努力實現能源部的目標，即到2030 年以每公斤1 美元的價格製造出綠色氫氣。為了提高經濟效益，我們必須提高效率，確保我們收集的大部分太陽能都用於氫氣生產。”

Ghoniem 的研究共同作者包括：第一作者、麻省理工學院博士後Aniket Patankar；麻省理工學院材料科學與工程教授Harry Tuller；滑鐵盧大學的Xiao-Yu Wu；以及韓國梨花女子大學的Wonjae Choi。

太陽能站

與其他建議的設計類似，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站（CSP）–一個由數百面鏡子組成的圓形陣列，收集陽光並反射到中央接收塔。然後，STCH 系統會吸收接收器的熱量，並將其用於分裂水和產生氫氣。這個過程與電解法截然不同，後者利用電能而不是熱能來分裂水。

概念STCH 系統的核心是一個兩步驟熱化學反應。第一步，水以蒸氣的形式接觸金屬。這使得金屬從蒸氣中吸收氧氣，留下氫氣。這種金屬”氧化”類似於鐵在水中生鏽，但速度更快。一旦氫被分離出來，氧化（或生鏽）的金屬就會在真空中重新加熱，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在蒸汽中以產生更多的氫。這個過程可以重複數百次。

MIT研究人員設計的系統旨在優化此流程。整個系統就像一列在環形軌道上運行的箱形反應器。在實踐中，這條軌道將環繞一個太陽能熱源（如C​​SP 塔）設置。列車上的每個反應器都將容納進行氧化還原或可逆生鏽過程的金屬。

每個反應器將首先經過一個熱站，在那裡暴露在高達1500 攝氏度的太陽熱量下。這種極端高溫會有效地從反應爐的金屬中抽出氧氣。這樣，金屬就會處於”還原”狀態–隨時準備從蒸氣中獲取氧氣。為此，反應器將轉移到溫度約攝氏1000 度的冷卻站，在那裡接觸蒸氣以產生氫氣。

鐵鏽和鐵軌

其他類似的STCH 概念都遇到了一個共同的障礙：如何處理反應爐冷卻時釋放的熱量。如果不對這些熱量進行回收再利用，系統的效率就會很低，無法實用。

第二個挑戰是如何創造一個高能源效率的真空環境，使金屬能夠除鏽。有些原型利用機械幫浦產生真空，但對於大規模氫氣生產來說，這種幫浦能耗太高，成本太高。

為了應對這些挑戰，麻省理工學院的設計採用了幾種節能變通方法。為了回收從系統中逸出的大部分熱量，圓形軌道兩側的反應器可以透過熱輻射交換熱量；熱的反應器被冷卻，冷的反應器被加熱。這樣就能將熱量保持在系統內。研究人員還增加了第二組反應堆，它們將圍繞第一列反應器以相反的方向移動。這列外反應器的運作溫度通常較低，用於從較熱的內部反應器中排出氧氣，而無需使用耗能的機械幫浦。

這些外層反應器將裝載第二種也很容易氧化的金屬。當它們環繞一圈時，外層反應器將吸收內層反應器中的氧氣，有效地去除原有金屬的鏽跡，而無需使用耗能的真空泵。兩組反應器將連續運行，分別產生純氫和純氧。

研究人員對這項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，從先前設計所證明的7% 提高到40%。

Ghoniem說：『我們必須考慮到系統中的每一點能量，以及如何使用這些能量，從而最大限度地降低成本。有了這個設計，我們發現一切都可以用來自太陽的熱量來驅動。它能夠利用40 % 的太陽熱能產生氫氣。”

明年，該團隊將建造一個系統原型，計劃在能源部實驗室的聚光太陽能設施中進行測試。

Patankar解釋說：「在該系統完全投入使用後，將被安置在太陽能發電場中間的一座小樓裡。建築物內可以有一列或多列火車，每列火車上有大約50 個反應爐。我們認為這可以是一個模組化系統，你以在傳送帶上增加反應器，從而擴大氫氣生產規模。”