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

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

??麻省理工認為，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。但到目前為止，現有的STCH設計效率有限：只有約7%的太陽光用于生成氫氣，而且產量較低且成本較高。

??麻省理工學院的團隊邁出了實現太陽制造燃料的重要一步，他們估計新設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的總成本，使STCH成為一個有潛力的可擴展、經濟實惠的選擇。

??該研究的首席科學家、麻省理工學院機械工程教授Ahmed Ghoniem表示：“我們將氫氣視為未來的燃料，需要低成本、大規模生成氫氣。為了改善經濟效益，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院博士后Aniket Patankar，材料科學與工程教授Harry Tuller，滑鐵盧大學的Xiao-Yu Wu以及韓國的Ewha女子大學的Wonjae Choi。

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

??STCH系統的核心是一個兩步熱化學反應。在第一步中，以蒸汽形式存在的水暴露在金屬中。這導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更多氫氣。這個過程可以重復數百次。

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

??每個反應器首先會通過一個高溫站，暴露在高達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器的金屬中抽出。然后，金屬會處于“還原”狀態，準備從蒸汽中奪取氧氣。為了實現這一點，反應器會移動到一個溫度約為1000攝氏度的冷卻站，暴露在蒸汽中以產生氫氣。

??其他類似的STCH設計都遇到了一個常見的障礙：如何處理從冷卻的反應器中釋放的熱量。如果不回收和重復使用這些熱量，系統的效率將太低，無法實際應用。第二個挑戰涉及創建一個高能效的真空環境，以便金屬可以在其中去除銹。一些原型設計系統使用機械泵來產生真空，盡管這些泵對于大規模氫氣生產來說既耗能又昂貴。

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

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

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

??研究人員對概念設計進行了詳細的模擬，并發現它將顯著提高太陽能熱化學制氫的效率，從7％提高到40％。

??Ghoniem表示：“我們必須考慮利用系統中的每一點能量，并最小化成本。”在接下來的一年里，該團隊將建造該系統的原型機。

??Patankar解釋道：“當設計實際運行時，這個系統將被安置在太陽能場站中間的一棟小建筑內。在建筑內，可能有一列或多列每列約有50個反應器的列車。我們認為這可以是一個模塊化系統，可以通過向傳送帶上添加反應器來擴大氫氣生產規模。”

??這項工作得到了麻省理工學院機械工程研究與教育中心和南方科技大學的支持。