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綠氫技術(shù)大突破!MIT新系統(tǒng)效率破紀(jì)錄 成本料更低

發(fā)布時(shí)間:2023-11-04 09:00:48來源:新浪科技

  據(jù)報(bào)道,麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們想生產(chǎn)完全綠色的、無碳的氫燃料,使用一種新的、類似火車的、完全由太陽驅(qū)動的反應(yīng)堆系統(tǒng)。

  在最近發(fā)表在《太陽能雜志》上的一項(xiàng)研究中,工程師們提出了一個(gè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì),該系統(tǒng)可以有效地產(chǎn)生“太陽能熱化學(xué)氫”(STCH)。該系統(tǒng)利用太陽的熱量直接分解水并產(chǎn)生氫——一種清潔的燃料,可以為長途卡車、輪船和飛機(jī)提供動力,同時(shí)在這個(gè)過程中不會排放溫室氣體。

  如今,氫氣主要是利用天然氣和其他化石燃料作為能源而進(jìn)行生產(chǎn)的,這使得從生產(chǎn)開始到最終使用,這種原本綠色的燃料更像是一種“灰色”能源。相比之下,STCH提供了一種完全零排放的替代方案,因?yàn)樗耆蕾嚳稍偕柲軄眚?qū)動氫的生產(chǎn)。

  然而,到目前為止,現(xiàn)有的STCH設(shè)計(jì)效率有限:只有大約7%的射入陽光被用來制造氫氣。迄今為止的結(jié)果是低產(chǎn)量和高成本。

  麻省理工學(xué)院的研究小組估計(jì),他們的新設(shè)計(jì)可以利用高達(dá)40%的太陽熱量來產(chǎn)生更多的氫氣,這是實(shí)現(xiàn)太陽能燃料的一大步。效率的提高可以降低系統(tǒng)的總體成本,使STCH成為一個(gè)潛在的可擴(kuò)展的、負(fù)擔(dān)得起的選擇,以幫助運(yùn)輸行業(yè)脫碳。

  該研究的主要作者Ahmed Ghoniem教授表示,“我們認(rèn)為氫是未來的燃料,有必要廉價(jià)、大規(guī)模地生產(chǎn)氫。我們正在努力實(shí)現(xiàn)能源部的目標(biāo),即到2030年以每公斤1美元的價(jià)格生產(chǎn)綠色氫。為了提高經(jīng)濟(jì)效益,我們必須提高效率,并確保我們收集的大部分太陽能用于生產(chǎn)氫氣。”

  具體而言,與其他提出的設(shè)計(jì)類似,MIT的系統(tǒng)將與現(xiàn)有的太陽能熱源相結(jié)合,比如聚光太陽能發(fā)電廠(CSP)——一個(gè)由數(shù)百面鏡子組成的圓形陣列,收集陽光并將其反射到中央接收塔。然后STCH系統(tǒng)吸收接收器的熱量并引導(dǎo)其分解水并產(chǎn)生氫氣。

  值得注意的事,這個(gè)過程與電解非常不同,電解使用電而不是熱來分解水。

  概念性STCH系統(tǒng)的核心是兩步熱化學(xué)反應(yīng)。在第一步中,水以蒸汽的形式暴露在金屬中。這使得金屬從蒸汽中吸收氧氣,留下氫氣。這種金屬“氧化”類似于鐵在水中的生銹,但發(fā)生的速度要快得多。

  一旦氫被分離,氧化(或生銹)的金屬在真空中重新加熱,這可以逆轉(zhuǎn)生銹過程并使金屬再生。除去氧氣后,金屬可以冷卻并再次暴露在蒸汽中以產(chǎn)生更多的氫。這個(gè)過程可以重復(fù)數(shù)百次。

  每個(gè)反應(yīng)堆將首先通過一個(gè)熱站,在那里它將暴露在高達(dá)1500攝氏度的太陽熱量下。這種極端的高溫會有效地將氧氣從反應(yīng)堆的金屬中抽出。然后,這種金屬將處于“還原”狀態(tài)——準(zhǔn)備從蒸汽中吸收氧氣。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),反應(yīng)堆將轉(zhuǎn)移到一個(gè)溫度在1000攝氏度左右的較冷的站,在那里它將暴露在蒸汽中產(chǎn)生氫氣。

  研究人員對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬,發(fā)現(xiàn)它將顯著提高太陽能熱化學(xué)制氫的效率,從之前設(shè)計(jì)的7%提高到40%。

  “我們必須考慮系統(tǒng)中的每一點(diǎn)能量,以及如何使用它,以最大限度地降低成本,”Ghoniem說,“通過這種設(shè)計(jì),我們發(fā)現(xiàn)一切都可以通過來自太陽的熱量來提供動力。它能夠利用40%的太陽熱量來產(chǎn)生氫氣。”

  明年,該團(tuán)隊(duì)將建立一個(gè)系統(tǒng)的原型,他們計(jì)劃在目前資助該項(xiàng)目的能源部實(shí)驗(yàn)室的集中太陽能發(fā)電設(shè)施中進(jìn)行測試。

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