太阳能热化学氢（STCH）完全依靠可再生太阳能驱动氢气生产，得到的是没有二氧化碳排放的“绿氢”。但现有STCH的效率有限，只有约7%的入射阳光用于制造氢气。

据10月16日发表在《Solar Energy》杂志上的一项研究中，美国麻省理工学院设计出了更高效的STCH系统，可利用40%的太阳热量，直接分解水并产生氢气，为长途卡车，轮船和飞机提供动力，同时在此过程中不排放温室气体。

“太阳能电站”

与其他提出的设计类似，麻省理工学院的系统将与现有的太阳能热源相结合，比如聚光太阳能发电厂(CSP)——一个由数百面镜子组成的圆形阵列，收集阳光并将其反射到中央接收塔。然后STCH系统吸收接收器的热量并引导其分解水并产生氢气。这个过程与电解非常不同，电解使用电而不是热来分解水。

概念性STCH系统的核心是两步热化学反应。在第一步中，水以蒸汽的形式暴露在金属中。这使得金属从蒸汽中吸收氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于铁在水中的生锈，但发生的速度要快得多。一旦氢被分离，氧化(或生锈)的金属在真空中重新加热，这可以逆转生锈过程并使金属再生。除去氧气后，金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以产生更多的氢。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。整个系统就像一列在圆形轨道上运行的箱形反应堆列车。在实践中，这条轨道将被设置在太阳能热源周围，比如CSP塔。列车上的每个反应堆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摄氏度的太阳热量下。这种极端的高温会有效地将氧气从反应堆的金属中抽出。然后，这种金属将处于“还原”状态——准备从蒸汽中吸收氧气。为了实现这一目标，反应堆将转移到一个温度在1000摄氏度左右的较冷的站，在那里它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，系统的效率太低，无法投入实际应用。

第二个挑战是如何创造一种节能的真空环境，使金属能够除锈。一些原型机使用机械泵产生真空，尽管这种泵对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种节能解决方案。为了回收大部分原本会从系统中逸出的热量，环形轨道两侧的反应堆被允许通过热辐射交换热量；热反应堆冷却，而冷反应堆加热。这使热量保持在系统内。研究人员还增加了第二组反应堆，它们将围绕第一列火车，朝相反的方向运动。这种反应堆的外部列车将在通常较低的温度下运行，并将用于从较热的内部列车中抽出氧气，而不需要高耗能的机械泵。

这些外部反应堆将携带第二种金属，这种金属也很容易被氧化。当它们绕圈时，外部反应堆会从内部反应堆中吸收氧气，从而有效地消除原始金属的锈蚀，而无需使用能源密集型真空泵。两组反应堆将连续运行，并产生单独的纯氢和纯氧流。

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，从之前设计的7%提高到40%。

“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，”高尼姆说。“通过这种设计，我们发现一切都可以通过来自太阳的热量来提供动力。它能够利用40%的太阳热量来产生氢气。”

亚利桑那州立大学化学工程助理教授克里斯托弗·穆希奇(Christopher Muhich)没有参与这项研究，他说：

“如果这能实现，它将彻底改变我们的能源未来——也就是说，使氢气生产成为可能。”

“制造氢的能力是利用阳光生产液体燃料的关键。”

明年，该团队将建立一个系统的原型，他们计划在目前资助该项目的能源部实验室的集中太阳能发电设施中进行测试。

评价与展望

未来，随着技术的进一步发展和成本的降低，太阳能热化学氢系统有望成为一种可行的、可持续的氢能生产方案。它不仅能够满足我们日益增长的能源需求，还能够减少碳排放，推动环境可持续发展。总之，太阳能热化学氢系统的崭露头角为氢能源的发展提供了新的方向。它的出现使我们可以对21世纪的终极能源有更多的期待。然而，要实现这一目标，仍然需要继续投入更多的研究和发展。我们期待着太阳能热化学氢系统在未来的发展中取得更大的突破，为人类提供清洁、可持续的能源解决方案。

目前的太阳能热化学氢系统仍在不断完善中，需要寻找更高效且低成本的制造路径。根据巴塞罗那OBS商学院的一项研究，到2024年，绿氢的生产价格大约为每公斤3.16至5.79美元，但与化石燃料相比仍不具备成本竞争力。因此，提高制氢效率并降低成本是太阳能制氢领域的重要挑战。研究人员指出，目前的太阳能热化学氢系统在制氢效率方面仍有提升的空间。最初的实验结果显示，该系统只能利用7%的入射阳光能来制造氢气，效率较低。此外，采用机械泵营造真空实验环境的方法对于大规模氢气生产来说成本过高。然而，通过实验优化，研究人员已经成功提高了太阳能热化学氢的制氢效率。他们发现可以回收并循环利用大部分还原反应释放的热量，将制氢效率从之前的7%提高到40%。这一进展使得太阳能制氢更具吸引力，但在追求经济效益方面，仍需要进一步提高系统中每一点能量的利用率，以最大限度地降低成本。

麻省理工学院的研究团队提出的“太阳能热化学氢”方法有望成为可再生能源制氢的新机遇点。他们的研究使制氢效率得以提升，并且通过循环利用热量降低了制造成本。然而，要实现太阳能制氢的商业化应用，仍面临诸多挑战。在扩大太阳能制氢规模方面，降低成本是关键。目前的研究虽然取得了一定的进展，但仍需要进一步的技术创新和工程实践。同时，太阳能制氢产业需要政府的支持和政策引导，以鼓励更多的投资和研发。另一个重要的因素是市场需求。尽管太阳能制氢被认为是绿色能源的未来，但在实际应用中仍存在一些限制。例如，氢燃料电池车辆的销量仍然有限，相关的加氢设施也相对较少。因此，扩大氢能市场需求，建立完善的供应链体系是太阳能制氢发展的关键。总的来说，太阳能制氢是未来绿色能源的新机遇，但要实现商业化应用仍需克服诸多挑战。降低成本、提高制氢效率以及扩大市场需求是关键所在。