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作者｜鄭松毅
如果被問到“你認為21世紀的終極能源會是什么”，你會如何回答？搜狐科技曾在這樣一條話題貼下方看到網(wǎng)友們熱議，大多數(shù)網(wǎng)友給出的答案都指向了一種清潔能源——“氫能”。
氫能是一種來源豐富、綠色低碳、且應用廣泛的能源，綠色氫能在冶金、供熱、燃料電池等方面都具備重要應用價值。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預測，在碳中和目標下，到2030年我國氫氣的年需求量將達到3715萬噸，在終端能源消費中的占比約為5%。到2060年，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中的占比約為20%。
近日，在《太陽能雜志》（《SOLAR ENERGY》）上發(fā)表的一項研究中，麻省理工學院的工程師們提出了一種可以有效生產(chǎn)“太陽能熱化學氫”的概念，目標是利用太陽能生產(chǎn)完全綠色且無碳的氫燃料。
據(jù)悉，如今氫能源主要是通過涉及天然氣和其他化石燃料的工藝生產(chǎn)，煤制氫和天然氣制氫占比約八成，使原本主打綠色概念的氫燃料更像是一種“灰色”能源。相比之下，“太陽能熱化學氫”（STCH）提供了一種完全零排放的替代方案，它完全依靠可再生太陽能的熱量來驅動氫氣生產(chǎn)。
“太陽能熱化學氫”系統(tǒng)的核心是兩步熱化學反應。首先將水蒸氣暴露于金屬，金屬會從蒸汽中奪取氧氣，留下氫氣。這種金屬“氧化”反應猶如鐵在水中生銹，但反應發(fā)生的更快。
等氫氣被分離出來后，氧化的金屬會被放置在真空環(huán)境中重新加熱，從而逆轉氧化過程，使金屬再生。氧氣被除去后，金屬可以冷卻并再次放置于水蒸氣中，重復之前的步驟，從而產(chǎn)生更多的氫氣，這個過程可以重復數(shù)百次。
說到這，你可能會疑惑太陽能和制氫具體有啥關系呢？
麻省理工研究團隊在研究過程中使用了聚光太陽能發(fā)電廠（CSP）概念，用數(shù)百個鏡子擺在一起組成的圓形矩陣收集陽光，并將陽光反射到中央接收塔，隨后用陽光照射產(chǎn)生的熱量進行上述實驗步驟制造氫氣。研究團隊強調(diào)，“這個過程與電解制氫有很大不同，電解是用電而不是用熱量來分解水?！?/p>
要知道，利用太陽能制氫可是比電解水制氫實惠多了。
“從成本來看，電解水制氫的高成本原因主要取決于電費。以目前主流的堿性電解水為例，制氫效率約5度/立方米，電費成本約占85.3%，因此其經(jīng)濟性受電價的影響大?！?/p>
根據(jù)巴塞羅那OBS商學院的一項研究，到2024年，綠氫的生產(chǎn)價格大約為每公斤3.16至5.79美元，但這與化石燃料相比仍不太具有成本競爭力。因此，綠氫還需要繼續(xù)尋找更高效且低成本的制造路徑。
該研究文獻的主要作者、麻省理工學院機械工程教授艾哈邁德·戈尼姆 （Ahmed F. Ghoniem）表示，“我們認為氫是未來的燃料，并且需要低成本且大規(guī)模地生產(chǎn)氫。我們正在努力實現(xiàn)能源部的目標，即到 2030 年以每公斤 1 美元的價格生產(chǎn)綠色氫。為了提高經(jīng)濟效益，我們必須提高效率并確保我們收集的大部分太陽能得到利用在氫氣生產(chǎn)中。”
他介紹，現(xiàn)有的“太陽能熱化學氫”（STCH）系統(tǒng)還處于制氫效率提升階段。實驗初期該系統(tǒng)只有7%的入射陽光能被用于制造氫氣，產(chǎn)氫效率低，而且用機械泵營造真空實驗環(huán)境的方法對于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)來說成本過高。而現(xiàn)在通過實驗優(yōu)化，可回收到大部分還原反應進行時釋放的熱量并加以循環(huán)利用，已能將太陽能熱量制氫的效率從之前的7%提高到40%。
“我們必須考慮系統(tǒng)中的每一點能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本?！?/p>
至于麻省理工學院研究團隊提出的“太陽能熱化學氫”的方法能否成為可再生能源制氫的新機遇點，值得業(yè)界共同關注。
