加载中…科技日报--利用40%的太阳热量生产清洁氢燃料（续）
(2023-11-21 12:49:31)
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概念STCH（太阳能热化学氢）系统的核心是两步热化学反应。在第一步骤中，将蒸汽形式的水暴露于金属。这导致金属从蒸汽中吸收氧气，留下氢气。这种金属的“氧化”类似于铁在水的存在下生锈，但发生得更快。一旦分离出氢气，氧化（或生锈）的金属就会在真空中重新加热，从而逆转生锈过程并使金属再生。去除氧气后，金属可以被冷却并再次暴露在蒸汽中，以产生更多的氢气。这个过程可以重复数百次。
麻省理工学院的系统旨在优化这一过程。整个系统就像一列运行在圆形轨道上的箱形反应堆。在实践中，这条轨道将设置在太阳能热源周围，例如CSP（聚光太阳能发电装置）塔。行列中的每个反应器都将容纳经过氧化还原或可逆生锈过程的金属。
每个反应堆将首先通过一个热站，在那里它将暴露在高达1500摄氏度的太阳热下。这种极端的高温会有效地将氧气从反应堆的金属中抽出来。然后，这种金属将处于“还原”状态——准备从蒸汽中获取氧气。为了实现这一点，反应堆将转移到温度约为1000摄氏度的冷却站，使其将暴露在蒸汽中产生氢气。
铁锈和铁轨
其他类似的STCH概念遇到了一个共同的障碍：如何处理还原反应堆在冷却时释放的热量。如果不回收和再利用这些热量，该系统的效率太低，不实用。
第二个挑战是创造一个节能的真空吸尘器，以便金属可以除锈。一些原型使用机械泵产生真空，尽管这些泵对于大规模氢气生产来说过于耗能和昂贵。
为了应对这些挑战，麻省理工学院的设计结合了几个节能解决方案。为了回收大部分原本会从系统中逸出的热量，环形轨道相对两侧的反应堆可以通过热辐射交换热量；热反应堆被冷却，而冷反应堆被加热。这将热量保持在系统内。研究人员还增加了第二组反应堆，它们将围绕第一行列，朝相反的方向移动。这一外部反应堆列将在通常较低的温度下运行，并将用于从较热的内部反应堆列中排出氧气，而不需要耗能的机械泵。
这些外部反应堆将携带第二种金属，这种金属也很容易氧化。当它们循环时，外部反应堆将从内部反应堆中吸收氧气，有效地使原始金属除锈，而不必使用耗能高的真空泵。两个反应堆列将连续运行，并将分别产生纯氢气和氧气流。
研究人员对概念设计进行了详细的模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从以前的设计所证明的7%提高到40%。
Ghoniem说：“我们必须考虑系统中的每一点能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本。”“通过这种设计，我们发现一切都可以由来自太阳的热量提供动力。它能够利用太阳40%的热量产生氢气。”
明年，该团队将建造该系统的原型，他们计划在能源部实验室的集中太阳能设施中进行测试，目前能源部正在为该项目提供资金。
帕坦卡解释道：“当这个系统完全实现时，它将被安置在太阳能场中央的一座小建筑中。”“在大楼里，可能有一列或多列，每列大约有50个反应堆。我们认为这可能是一个模块化系统，你可以在传送带上添加反应堆，以扩大氢气生产。”
麻省理工学院的系统旨在优化这一过程。整个系统就像一列运行在圆形轨道上的箱形反应堆。在实践中，这条轨道将设置在太阳能热源周围，例如CSP（聚光太阳能发电装置）塔。行列中的每个反应器都将容纳经过氧化还原或可逆生锈过程的金属。
每个反应堆将首先通过一个热站，在那里它将暴露在高达1500摄氏度的太阳热下。这种极端的高温会有效地将氧气从反应堆的金属中抽出来。然后，这种金属将处于“还原”状态——准备从蒸汽中获取氧气。为了实现这一点，反应堆将转移到温度约为1000摄氏度的冷却站，使其将暴露在蒸汽中产生氢气。
铁锈和铁轨
其他类似的STCH概念遇到了一个共同的障碍：如何处理还原反应堆在冷却时释放的热量。如果不回收和再利用这些热量，该系统的效率太低，不实用。
第二个挑战是创造一个节能的真空吸尘器，以便金属可以除锈。一些原型使用机械泵产生真空，尽管这些泵对于大规模氢气生产来说过于耗能和昂贵。
为了应对这些挑战，麻省理工学院的设计结合了几个节能解决方案。为了回收大部分原本会从系统中逸出的热量，环形轨道相对两侧的反应堆可以通过热辐射交换热量；热反应堆被冷却，而冷反应堆被加热。这将热量保持在系统内。研究人员还增加了第二组反应堆，它们将围绕第一行列，朝相反的方向移动。这一外部反应堆列将在通常较低的温度下运行，并将用于从较热的内部反应堆列中排出氧气，而不需要耗能的机械泵。
这些外部反应堆将携带第二种金属，这种金属也很容易氧化。当它们循环时，外部反应堆将从内部反应堆中吸收氧气，有效地使原始金属除锈，而不必使用耗能高的真空泵。两个反应堆列将连续运行，并将分别产生纯氢气和氧气流。
研究人员对概念设计进行了详细的模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从以前的设计所证明的7%提高到40%。
Ghoniem说：“我们必须考虑系统中的每一点能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本。”“通过这种设计，我们发现一切都可以由来自太阳的热量提供动力。它能够利用太阳40%的热量产生氢气。”
明年，该团队将建造该系统的原型，他们计划在能源部实验室的集中太阳能设施中进行测试，目前能源部正在为该项目提供资金。
帕坦卡解释道：“当这个系统完全实现时，它将被安置在太阳能场中央的一座小建筑中。”“在大楼里，可能有一列或多列，每列大约有50个反应堆。我们认为这可能是一个模块化系统，你可以在传送带上添加反应堆，以扩大氢气生产。”
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