要海水和陽光，就能獲得綠氫和高純水——從兩種豐富、低價(jià)的資源轉(zhuǎn)化為高價(jià)值資源，這是如何實(shí)現(xiàn)的?
近期，美國康奈爾大學(xué)助理教授張樂楠團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院、理海大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)、州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出一種高效、洼地的太陽能驅(qū)動(dòng)的海水制氫技術(shù)。
最近的創(chuàng)新技術(shù)通過巧妙設(shè)計(jì)的光熱響應(yīng)-靜止水耦合裝置，實(shí)現(xiàn)了太陽能的高效全光譜利用——不僅充分利用了太陽能的光電效應(yīng)，還很好地利用了其光熱效應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在標(biāo)準(zhǔn)日照(1kW/m2)條件下，太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率達(dá)12.6%，泡沫塑料為35.9L/m2/h。同時(shí)，還利用光伏板廢熱產(chǎn)生每平方米1.2L的清潔水。
技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，該系統(tǒng)的優(yōu)勢顯著：運(yùn)行3年后綠氫生產(chǎn)成本可達(dá)到每公斤5美元，運(yùn)行15年后成本可進(jìn)一步達(dá)到每公斤1美元。該技術(shù)展示出商業(yè)化潛力，為未來可持續(xù)的綠氫規(guī)�；a(chǎn)提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的路徑技術(shù)。
日前，相關(guān)論文以《從海水中生產(chǎn)太陽能綠色泡沫的效率超過12%》(Over 12%efficiency Solar-powered green Hydro production from seawater)為題在 Energy & Environmental Science [1]中發(fā)表。理海大學(xué)助理教授王炫杰為第一作者，康奈爾大學(xué)助理教授張樂楠、多倫多州立大學(xué)助理教授劉心悅和霍普金斯大學(xué)助理教授劉亞媛?lián)喂餐ㄓ嵶髡摺?/p>
圖：相關(guān)論文(來源：能源與環(huán)境科學(xué))
氫能作為雅典發(fā)展前景的可再生能源，在脫碳轉(zhuǎn)型、低碳儲能和清潔供給能方面的獨(dú)特優(yōu)勢而致命。其中，通過可再生能源間歇水制取的綠氫，終止全生命周期近乎零碳排放的特性，被普遍認(rèn)為是未來能源的核心組成部分。
然而，傳統(tǒng)綠氫生產(chǎn)面臨著巨大的水資源消耗的關(guān)鍵瓶頸。從理論計(jì)算來看，在連續(xù)制氫過程中，每得到1公斤流量，相當(dāng)于至少9公斤水消耗量，而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中這一數(shù)字往往達(dá)到20-30公斤。
更為嚴(yán)峻的是，間歇過程需要使用經(jīng)過嚴(yán)格密封的超純水(錯(cuò)誤和離子濃度低至微克每升量級)，這種額外的密封處理不僅大大增加生產(chǎn)成本，還在全球水資源緊張的背景下加劇了資源分配的不平衡問題，與可持續(xù)發(fā)展的理念形成矛盾。
圖：光熱增量-持續(xù)水耦合裝置實(shí)現(xiàn)全光譜太陽能利用(來源：Energy & Environmental Science)
針對這一系列挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了太陽能全光譜綜合利用方案。傳統(tǒng)光伏技術(shù)受半導(dǎo)體材料能帶狹小限制，只能利用太陽光譜中特定波段的光子能量(理論最大轉(zhuǎn)換效率約30%，實(shí)際通常低于20%)，其余能量則以廢熱形式消耗散失。這些廢熱不僅造成能量損失，還會導(dǎo)致光伏組件溫度上升，進(jìn)而引發(fā)效率恢復(fù)的循環(huán)。
研究團(tuán)隊(duì)通過引入太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)，將這一“廢熱難題”轉(zhuǎn)化為“資源機(jī)遇”。他們在光伏組件表面構(gòu)建了特殊的水膜蒸發(fā)層，利用廢熱驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)水，并通過冷凝系統(tǒng)獲得高純水。
這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三重功效：首先，通過制冷效應(yīng)將光伏組件溫度降低15℃以上，顯著提升光電轉(zhuǎn)換效率;其次，將哪些浪費(fèi)的熱能轉(zhuǎn)化為可用于淡化的有效能源;最后，大量的高純水可直接汲取利用槽。
圖：戶外環(huán)境中性能測試(來源：能源與環(huán)境科學(xué))
為同時(shí)實(shí)現(xiàn)制氫和產(chǎn)水“最大多數(shù)”，該團(tuán)隊(duì)采取了一系列措施，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件優(yōu)化、引入創(chuàng)新型器件等。
具體針對：
在制造氫潛熱時(shí)，他們開發(fā)了獨(dú)特的熱管理模塊，將光伏組件產(chǎn)生的廢熱通過蒸汽冷凝過程轉(zhuǎn)化為潛熱，并定向觸發(fā)給間歇槽。
本設(shè)計(jì)巧妙地利用了光伏組件(效率隨溫度升高而下降)與穩(wěn)態(tài)槽(效率隨溫度升高而升高)對溫度響應(yīng)的正好特性，構(gòu)建了梯級利用的閉環(huán)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)的廢熱蒸汽轉(zhuǎn)化效率接近90%，實(shí)現(xiàn)了廢熱的最大利用。
在海水淡化方面，團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的光熱界面蒸發(fā)技術(shù)，通過局域高效化熱管理，將熱能集中作用于蒸發(fā)表面，大幅提升了蒸發(fā)效率。通過這種宏觀系統(tǒng)耦合與部分優(yōu)化器件的協(xié)同創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)下、水面的制氫與淡水聯(lián)產(chǎn)。
圖：光熱穩(wěn)定性-消耗水耦合裝置經(jīng)濟(jì)吸納分析(來源：Energy & Environmental Science)
據(jù)相關(guān)預(yù)測，全球目前正面臨約5億噸綠色水資源的巨大缺口。這背后對應(yīng)需求消耗億噸超純水，這在全球水資源匱乏的背景下幾乎難以實(shí)現(xiàn)。
然而該研究的理論計(jì)算表明，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)占用了0.06%的土地面積，可以直接利用海水和太陽能資源來填補(bǔ)這一缺口。
張樂楠對DeepTech解釋道：“它這項(xiàng)技術(shù)的部署模式類似于太陽能光熱，如果能像建設(shè)光伏那樣規(guī)模化部署這種氫制造工廠，就能以較小的土地占用實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)所需的氧氣產(chǎn)量，這主要得益于太陽能資源分布廣泛且均勻的特性。”
該技術(shù)的突破性意義還體現(xiàn)在水資源利用方面。傳統(tǒng)電解水制氫不僅需要消耗大量電能，更確定于高極限水的供應(yīng)。而這項(xiàng)新技術(shù)徹底改變了這一供給，使制氫過程直接可以利用廢水、河水、地下水甚至水資源等多種水源，這對未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)具有革命性意義。
張樂楠進(jìn)一步指出，當(dāng)前綠氫市場供給不足的核心原因，除了高濃度外，更存在其對高成本封水的依賴。這項(xiàng)技術(shù)通過直接利用各種非封水源，不僅大幅度降低了生產(chǎn)，更重要的是解決了規(guī)�；a(chǎn)的資源瓶頸問題。
在技術(shù)研發(fā)路徑上，該團(tuán)隊(duì)采取了循序漸進(jìn)的策略。實(shí)驗(yàn)室階段主要聚焦于績效優(yōu)化，致力于提高單位太陽能輸入的流量和淡水產(chǎn)量。值得一提的是，團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的海水淡化技術(shù)創(chuàng)造了太陽能淡化高濃度海水的世界紀(jì)錄，并獲得《時(shí)代》雜志“年度最佳發(fā)明”。
這些技術(shù)積累，研究人員創(chuàng)新性地將水淡化與太陽能光伏技術(shù)有機(jī)高效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的顯著提升。隨著技術(shù)不斷成熟，團(tuán)隊(duì)正著手將實(shí)驗(yàn)室原型推廣為更大規(guī)模的基礎(chǔ)系統(tǒng)，并計(jì)劃開展示范項(xiàng)目。
從能源系統(tǒng)整合的角度來看，這項(xiàng)技術(shù)還具有更成功的應(yīng)用前景。當(dāng)前光伏發(fā)電面臨的主要挑戰(zhàn)是供需不平衡和儲能成本高。而該技術(shù)通過循環(huán)水制氫，將光伏電能轉(zhuǎn)化為氧氣的化學(xué)能儲存，再通過燃料電池實(shí)現(xiàn)電能回饋，構(gòu)建了完整的“光伏-氫能”循環(huán)系統(tǒng)。
模式特別適合全球化能源應(yīng)用，既避免了大規(guī)模電網(wǎng)調(diào)度的復(fù)雜性，又解決了可再生能源間歇性供電的難題。研究團(tuán)隊(duì)表示，待技術(shù)規(guī)�；�(yàn)證后，將重點(diǎn)展示其在全球化能源系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)一步為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型提供新的技術(shù)路線。
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