麻省理工学院(MIT)的工程师们的目标是用一种完全由太阳能驱动的新型组串式反应堆系统生产绿色、无碳的氢燃料。
在近日发表在《太阳能杂志》上的一项研究中，工程师们提出了一个系统的概念设计，该系统可以有效地产生“太阳能热化学氢”。该系统利用太阳的热量直接分解水并产生氢，可以为长途卡车、轮船和飞机提供动力，同时在这个过程中不会排放温室气体。
目前，氢气主要是通过天然气、煤炭和其他化石燃料生产的。相比之下，太阳能热化学氢(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驱动氢的生产。但到目前为止，现有的STCH设计效率有限：只有大约7%的入射阳光能量被用来制造氢气，结果是低产量和高成本。
麻省理工学院的研究小组估计，他们的新设计可以利用高达40%的太阳热量来产生更多的氢气，这是实现太阳能燃料的一大步。效率的提高可以降低系统的总体成本，使STCH成为一个潜在的可扩展的、负担得起的选择，以帮助运输行业脱碳。
该研究的主要作者、麻省理工学院罗纳德?C?克兰机械工程教授艾哈迈德?高尼姆表示：“我们认为氢是未来的燃料，我们需要廉价、大规模地生产氢。”
“我们正在努力实现能源部的目标，即到2030年以每公斤1美元的价格生产绿色氢。为了提高经济效益，我们必须提高效率，并确保我们收集的大部分太阳能用于生产氢气。”
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，留下氢。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。
(关键字：太阳能)
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