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太阳能热化学制氢取得新进展

发布日期:2021/5/28


  “使太阳能制氢商业化的最快途径,或许可以通过太阳能热化学反应为澳大利亚的铜矿开采业提供制氢、氧和及热能来实现。”德国DLR太阳能研究中心研究员克里斯蒂安·萨特勒(Christian Sattler)最近对SolarPACES记者表示。


      Sattle凭借在德国DLR太阳能研究中心的太阳能燃料研究工作经验,发现在铜矿开采中使用的硫酸处理工艺与制氢用的硫基太阳能热化学工艺之间有着协同的联系,即混合硫(HyS)技术。


     在两步法HyS工艺中,研究人员利用高达900℃的高温太阳热分解硫酸(H₂SO₄),通过分解水产生氢和氧。而热量来自于塔式太阳能热发电系统中的太阳能定日镜集热场;H₂SO₄分解的第一步是将产生三氧化硫和氧气;第二步,SO₂与水一起进入SO₂去极化电解器(SDE),产生氢气和新鲜的H₂SO₄,将其再循环至第一步。


     与传统的水电解相比,SDE仅需要约1/7的电能,因此,HyS可以在相同的太阳能输入下产生约50%的氢气。


     目前,在德国,澳大利亚,日本和美国的国际研究小组已经设计并测试了这种高温硫基工艺所需的组成部件——太阳能反应器/蒸发器,用于SO₃分解的热交换器,以及SO₂和O₂的氧气分离器。并确定了使用由碳化硅制成的结构材料,该材料可以在腐蚀条件和执行热化学所需的极高温度下保持稳定性。



混合硫(HyS)太阳能反应堆


     硫基太阳能热化学的优势


     硫磺可以像煤一样,很便宜且长时间储存在户外;与其他储热技术不同的是,其存储能量可以高于原始热量输入的温度下进行回收,并在恒定温度下回收。


     硫基热化学工艺的存储容量比当今的熔融盐大一个数量级,这将使可靠的全天候运行成本降低,甚至比CSP当前的存储成本降低了一半,而CSP的存储成本仅为电池的1/10。


      储能是太阳能生产中必不可少的。像许多工业过程用热一样,氢裂解需要全天候稳定地供热。所有太阳能热化学过程都包括通过与太阳能反应堆混合,或通过包含热能存储介质(如熔融盐)来确保稳定供应热能。


   “如果想使用任何种类的可再生能源,则需要配置足量的存储系统,来确保24/7全天候运行”,澳大利亚大学机械工程学院为HyS研究做出贡献的迈赫迪贾法里安(Mehdi Jafarian)补充说,“因此,我们认为HyS工艺具有整合到铜加工中的潜力,而如果使用太阳能光伏,那么电池存储的成本将大大增加净成本,以使这些工艺脱碳。”




     铜矿如何使用硫酸?


   “在采矿过程中,例如铜矿石焙烧中会产生二氧化硫。这可以用于热/电混合循环中,以产生氢气,氧气和硫酸。”Sattler解释说。
铜矿需要氢气和氧气。因为矿石中含有大量的硫,因此首先需要氧气来烘烤矿石;通过焙烧,将矿石转变为氧化铜,然后用氢气将氧化铜还原为铜。铜矿石中含有用于生产硫酸的硫,而硫又用于浸出矿物中的其他杂质。


     双赢,在铜矿现场生产太阳能氢气和氧气


     当前,将氢气和氧气运到矿山的费用,以及采用化石燃料作为热源的费用都相当昂贵;所以铜矿只能在矿场生产氧化铜,然后于将氧化铜运到工厂,精炼成铜;这样的生产流程也会使矿山失去了生产有价值的铜产品机会。


  “而这项HyS技术将能够在现场提供生产出最终铜产品。”Sattler表示。


     Jafarian补充说:“我们设计了一个可以将HyS集成到铜加工中的系统。目前,我们正在与DLR合作,将HyS整合到铜加工中,从而为铜加工和采矿业现场生产氢气和氧气。这使我们每年可以为铜加工商提供大约9到10个月的氢气和氧气。从经济角度讲,它甚至可以与使用化石燃料的最新制氢技术相提并论。”


     一旦将太阳能氢作为对铜矿开采业的工业服务组成部分进行生产,便可以将其作为独立的能源载体进行大规模生产,并在难以脱碳的领域中得到许多应用,例如,货物运输等重型运输,从而建立了规模化生产。


     Jafarian指出,BHP Group是世界上最大的矿业公司,在澳大利亚拥有主要股份。上个月,BHP Group发布了绿色氢计划。“如果这家巨头想要绿色氢气,那对我们来说是最好的机会,而澳大利亚目前拥有做到这些的所有基础设施、能力和资源。”


     澳大利亚将试用这种基于硫的太阳能热化学技术


     阿德莱德大学太阳能研究工程师阿方索·基尼奇(Alfonso Chinnici)也认为,澳大利亚是HyS研究可以首先商业化的地方。一项私营/公共的重工业脱碳倡议已经通过一个合作研究中心(CRC)HyS技术即将获得试验。


     同时也参与澳大利亚希尔特CRC项目的Chinnici指出,DLR即将向澳大利亚运送接收器,在实验室进行小型试验。他说:“然后计划在2022年进行一次太阳测试——在户外用太阳定日镜场进行测试。”


  “我认为DLR具有相当快的程序,因为它不是从零开始的。DLR的克里斯蒂安(Christian)小组已储备了相当多的专业知识,他们从开始有了想法,以及进行接收器研制工作已有5年。”


     Jafarian表示,将继续对这项先进的太阳能技术进行测试的其他改进:“我们还在研究另一种技术,以改进将太阳能引入系统的方式。我们正在研究一种称为太阳腔气泡接收器的太阳能接收器,现已经进行了一些技术评估,发现这还具有进一步降低成本的潜力。


     IMAGE 澳大利亚阿德莱德的Mehdi Jafarian大学(摘自论文:具有鼓泡传热的太阳能接收器,用于加热加压气体)


   “目前评估主要基于DLR开发的技术。但是,我们也在并行开发一项新技术,进一步降低铜行业的制氢成本方面也具有巨大的潜力。”


     在全球范围内,由于清洁能源技术的增长,铜行业需要快速增长以满足需求的增长,并且在满足需要替代化石能源的新气候目标的同时做到这一点。据彭博社预测,到2030年,铜的年供应赤字将达到470万吨,因此,有必要采用经济的方法来提炼可利用清洁能源提供热量的铜。澳大利亚铜业公司已意识到采用清洁能源降低碳排放已迫在眉睫。



来源:光热联盟

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