麻省理工学院的工程师们设计了一个能够高效制氢的“光热制氢”系统。该系统利用太阳的热能来分解水并产生氢气。

氢能被很多人认为是实现碳中和的最关键一环。但目前全球生产的氢能大多以灰氢（化石能源为原料的氢）为主。如何高效、低成本实现大规模绿氢（无碳排放氢气）是摆在能源行业面前的重要任务。

麻省理工认为，光热制氢（STCH）提供了一种完全零排放的替代方案，因为它完全依赖可再生太阳能来推动氢气生产。但到目前为止，现有的STCH设计效率有限：只有约7%的太阳光用于生成氢气，而且产量较低且成本较高。

麻省理工学院的团队迈出了实现太阳制造燃料的重要一步，他们估计新设计可以利用太阳热能的40%来生成更多氢气。效率的提高可以降低系统的总成本，使STCH成为一个有潜力的可扩展、经济实惠的选择。

该研究的首席科学家、麻省理工学院机械工程教授Ahmed Ghoniem表示：“我们将氢气视为未来的燃料，需要低成本、大规模生成氢气。为了改善经济效益，我们必须提高效率，并确保提高太阳能制氢的效率。”

Ghoniem的研究合著者包括麻省理工学院博士后Aniket Patankar，材料科学与工程教授Harry Tuller，滑铁卢大学的Xiao-Yu Wu以及韩国的Ewha女子大学的Wonjae Choi。

麻省理工学院的STCH系统将与现有的太阳能光热系统匹配，STCH系统吸收接收器的热量，将其用于分解水并生产氢气。这个过程与电解不同，电解使用电而不是热来分解水。

STCH系统的核心是一个两步热化学反应。在第一步中，以蒸汽形式存在的水暴露在金属中。这导致金属从蒸汽中夺取氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于金属在水的存在下生锈，但发生得快得多。一旦分离出氢气，被氧化（或生锈）的金属会在真空中重新加热，这有助于逆转生锈过程并再生金属。去除氧气后，金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以生产更多氢气。这个过程可以重复数百次。

麻省理工学院的这一套系统旨在优化这个过程。整个系统类似于一个运行在圆形轨道上的方形反应器列车。在实际应用中，这个轨道将设置在太阳能热源（如CSP塔）周围。列车中的每个反应器将容纳经历可逆性生锈过程的金属。

每个反应器首先会通过一个高温站，暴露在高达1500摄氏度的太阳热能中。这种极端高温会有效地将氧气从反应器的金属中抽出。然后，金属会处于“还原”状态，准备从蒸汽中夺取氧气。为了实现这一点，反应器会移动到一个温度约为1000摄氏度的冷却站，暴露在蒸汽中以产生氢气。

其他类似的STCH设计都遇到了一个常见的障碍：如何处理从冷却的反应器中释放的热量。如果不回收和重复使用这些热量，系统的效率将太低，无法实际应用。第二个挑战涉及创建一个高能效的真空环境，以便金属可以在其中去除锈。一些原型设计系统使用机械泵来产生真空，尽管这些泵对于大规模氢气生产来说既耗能又昂贵。

为解决这些挑战，麻省理工学院的设计采用了几种节能的解决方案。为了回收那些本来会从系统中逃逸的大部分热量，位于圆形轨道相对的反应器允许通过热辐射互相交换热量；热反应器被冷却，而冷反应器则被加热。这使热量保留在系统内。

研究人员还添加了第二组反应器，将绕着第一列火车循环运行，以相反的方向移动。这些外部反应器将在通常较低的温度下运行，用于排出内部反应器中的氧气，而无需消耗能源的机械泵提供能源。

这些外部反应器将携带第二种容易氧化的金属。随着它们的循环，外部反应器将吸收内部反应器中的氧气，有效地去除原金属的锈，而无需使用能耗高昂的真空泵。两列反应器将持续运行，并分别生成纯氢气和氧气。

研究人员对概念设计进行了详细的模拟，并发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从7％提高到40％。

光伏制氢的技术突破

人类在太阳能制氢有着40年的发展历史，同时也被看作最有前景的制氢方法之一，太阳能制氢的基本原理就是先使用太阳能光伏发电，然后将水电解得到氢气和氧气，整个制氢过程是绿色环保的。

近年来国内多家光伏巨头纷纷投入巨资在光伏制氢上，行业也取得了突破性的进展，光伏制氢已然成为光伏巨头多元化转型的重要战略布局。

在国家及地方政策的强力推动下，今年来，全球在建最大光伏制氢生产项目——中国石化新疆库车绿氢示范项目的220千伏绿氢变电站成功送电，计划在今年下半年投入运行。

光伏制氢被视为未来新能源最具潜力的发展方向之一，全球多个国家均已开展大型光伏制氢项目的研究或投入，随着光伏制氢的技术实现突破，产业也将迎来黄金发展期。

我国作为世界最大的碳排放国，在清洁能源的转型上拥有着非常大的市场潜力，据相关部门预测，到2030年国内氢能源的市场规模将达到2千亿元。

绿色制氢产业发展趋势

随着全球能源结构的转型，绿色制氢市场的发展潜力巨大。国际能源署预测，到2030年，全球可再生能源制氢装机容量将达到300吉瓦，氢气年产量将达到2000万吨。同时，各国政府也加大了对绿色制氢产业的政策支持，推动了该产业的快速发展。未来，绿色制氢产业将呈现以下趋势：

（1）技术创新：随着科技的不断进步，绿色制氢产业在技术创新方面也将迎来重要突破。未来，可再生能源发电、电解水、氢能储存等关键技术将得到进一步优化和提升，降低制氢成本，提高产业竞争力。

（2）产业协同：绿色制氢产业的发展需要各行业、各部门协同合作。未来，绿色制氢将与可再生能源、电力、交通等领域实现更加紧密的融合，推动产业链的完善和发展。

（3）国际合作：随着全球对环保和能源问题的关注度不断提高，国际社会对绿色制氢产业的合作和交流也将更加频繁，推动该产业实现更快的发展。