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麻省理工“太阳热能制氢”新设计,效率从7%提高到40%

一个由阳光驱动,长得非常像小型火车的氢燃料系统诞生,有别于传统的化石燃料系统,麻省理工学院实现完全绿色、无碳的氢能设备,显着提高太阳热化学制氢的效率,从 7% 提高到 40%。

太阳热化学制氢(solar thermochemical hydrogen,STCH)是透过阳光热能直接分解水产生氢气,这种制氢法虽然可以完全仰赖再生能源,但效率相当低,基本上只有约 7% 的入射光用于制造氢气,是种低收益高成本制氢技术。

显然这类只靠对绿能的爱是无法推动规模发展,还需要再进一步的研究。麻省理工机械工程系 Ahmed Ghoniem 表示,我们正努力实现能源部的目标,也就是 2030 年以每公斤 1 美元的价格生产绿氢,为了提高经济效益势必得提高效率,确保收集到的大部分日照都用于制氢。

STCH 系统的核心通常是两步骤的热化学反应,第一步先将金属暴露在蒸气中,金属会从蒸气中夺走氧气,留下氢气,之后将氢气分离出来后,把生锈金属置于真空中加热,逆转生锈过程并使金属重生,该过程则可重复几百次。

MIT 目标是优化此流程,因此打造出类似火车的箱型反应器,并在圆形轨道上围绕热源装置转圈圈。每个反应器一开始都会经过一个高温站,暴露在温度高达摄氏 1,500 度的热量下,利用极端高温吸出反应炉金属中的氧气,沿着轨道反应炉的下一站则是摄氏 1,000 度的冷却站,暴露在蒸气中产生氢气。

为了回收从系统中逸出的热量,圆形轨道两侧的反应器可以透过热辐射交换热量,让热反应器被冷却,而冷反应器被加热,便能将热量保留在系统内。为提高效率,研究人员还添加第二组反应炉,围绕着第一列列车反方向移动,外部反应炉将携带第二种也很容易氧化的金属,外部反应炉会吸收内部反应炉中的氧气,有效地对原始金属进行除锈,因此不需要额外的能源密集型真空帮浦。

研究人员模拟概念模型后,发现可显着提高太阳热化学制氢的效率,从先前设计的 7% 提高到 40%。Ghoniem 表示,透过这种设计,我们发现藉由太阳热量即可提供动力,能够利用 40% 的太阳热量来生产氢气。

该团队也预计将在明年打造系统原型,计划在美国能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试,目前也已获得能源部资助。

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