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“使太陽能制氫商業化的最快途徑，或許可以通過太陽能熱化學反應為澳大利亞的銅礦開采業提供制氫、氧和及熱能來實現。”德國DLR太陽能研究中心研究員克里斯蒂安·薩特勒（Christian Sattler）最近對SolarPACES記者表示。

Sattle憑借在德國DLR太(tai)陽能研(yan)究中心的太(tai)陽能燃料研(yan)究工作經(jing)驗(yan)，發現在銅礦開采中使用的硫酸(suan)處理工藝與(yu)制氫用的硫基太(tai)陽能熱化學工藝之間有著協同的聯系，即混(hun)合硫（HyS）技術。

IMAGE DLR硫酸分裂太陽能反應堆

在兩步(bu)法HyS工藝中，研(yan)究人員利(li)用(yong)高(gao)達900℃的高(gao)溫太(tai)陽熱(re)(re)分解(jie)硫酸（H?SO?），通過(guo)分解(jie)水產生(sheng)氫和氧。而(er)熱(re)(re)量來自于(yu)塔(ta)式太(tai)陽能熱(re)(re)發電系(xi)統(tong)中的太(tai)陽能定日鏡集熱(re)(re)場；H?SO?分解(jie)的第一(yi)(yi)步(bu)是將產生(sheng)三氧化硫和氧氣；第二步(bu)，SO?與水一(yi)(yi)起進入SO?去極化電解(jie)器（SDE），產生(sheng)氫氣和新鮮的H?SO?，將其再循(xun)環至(zhi)第一(yi)(yi)步(bu)。

與傳(chuan)統的水電解相比，SDE僅需要約(yue)1/7的電能，因(yin)此，HyS可以在相同的太陽能輸入下產生(sheng)約(yue)50％的氫氣。

目前(qian)，在(zai)德國(guo)，澳(ao)大利亞，日(ri)本和美國(guo)的(de)(de)(de)國(guo)際研究小組(zu)已經設計并測試了這種高溫硫基工(gong)藝所(suo)(suo)需的(de)(de)(de)組(zu)成(cheng)(cheng)部件——太陽能反應器/蒸(zheng)發(fa)器，用于(yu)SO?分解的(de)(de)(de)熱交換器，以及SO?和O?的(de)(de)(de)氧氣(qi)分離(li)器。并確(que)定了使用由碳化(hua)硅制(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)結構材(cai)料，該材(cai)料可以在(zai)腐蝕條件和執行熱化(hua)學所(suo)(suo)需的(de)(de)(de)極(ji)高溫度(du)下(xia)保持穩定性。

混合(he)硫（HyS）太陽能反應堆

硫基太陽能熱化學的優勢

硫磺可(ke)(ke)以像煤(mei)一(yi)樣，很便(bian)宜且長時(shi)間儲(chu)存在戶(hu)外(wai)；與其(qi)他儲(chu)熱(re)技(ji)術不同的是，其(qi)存儲(chu)能量可(ke)(ke)以高于原(yuan)始熱(re)量輸入的溫(wen)度(du)下進行回(hui)收，并(bing)在恒定溫(wen)度(du)下回(hui)收。

硫基熱化學工(gong)藝(yi)的存儲(chu)容量(liang)比當今的熔融鹽大一個數量(liang)級，這將(jiang)使可靠的全天候運行成(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)，甚至比CSP當前(qian)的存儲(chu)成(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)了一半，而(er)CSP的存儲(chu)成(cheng)本(ben)僅為電池的1/10。

儲(chu)能是(shi)太(tai)(tai)陽(yang)能生產中必不(bu)可(ke)少的。像(xiang)許多工業過(guo)程用熱(re)一(yi)樣，氫裂解需(xu)要全天(tian)候穩(wen)定地供熱(re)。所有太(tai)(tai)陽(yang)能熱(re)化學過(guo)程都包(bao)括通過(guo)與太(tai)(tai)陽(yang)能反應堆混合，或(huo)通過(guo)包(bao)含熱(re)能存儲(chu)介質（如熔(rong)融鹽）來確保穩(wen)定供應熱(re)能。

“如(ru)果想使用(yong)任何種類的可再生能源，則需(xu)要(yao)配置足(zu)量的存(cun)儲系統，來確保24/7全天候(hou)運(yun)行(xing)”，澳大(da)(da)利亞(ya)大(da)(da)學機(ji)械工(gong)程學院為(wei)HyS研(yan)究做出(chu)貢獻的邁赫迪賈法(fa)里(li)安(an)（Mehdi Jafarian）補充說(shuo)，“因此，我(wo)們認為(wei)HyS工(gong)藝具(ju)有(you)整合到(dao)銅加工(gong)中的潛力(li)，而如(ru)果使用(yong)太陽(yang)能光(guang)伏，那么電池存(cun)儲的成本將大(da)(da)大(da)(da)增加凈成本，以使這些工(gong)藝脫碳。”

銅礦如何使用硫酸？

“在采礦過程(cheng)中(zhong)(zhong)，例如銅礦石焙燒中(zhong)(zhong)會產生二氧(yang)化硫(liu)。這可以用于熱/電(dian)混(hun)合循環中(zhong)(zhong)，以產生氫(qing)氣，氧(yang)氣和(he)硫(liu)酸。”Sattler解釋說。

銅(tong)(tong)礦(kuang)(kuang)(kuang)需要氫氣和氧(yang)氣。因(yin)為(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)中含有(you)大量的(de)(de)硫(liu)，因(yin)此首先需要氧(yang)氣來烘烤(kao)礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)；通過焙燒，將(jiang)礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)轉變為(wei)氧(yang)化銅(tong)(tong)，然后(hou)用(yong)氫氣將(jiang)氧(yang)化銅(tong)(tong)還(huan)原(yuan)為(wei)銅(tong)(tong)。銅(tong)(tong)礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)中含有(you)用(yong)于生產硫(liu)酸的(de)(de)硫(liu)，而硫(liu)又用(yong)于浸(jin)出礦(kuang)(kuang)(kuang)物中的(de)(de)其他雜質。

雙贏，在銅礦現場生產太陽能氫氣和氧氣

當前，將氫氣(qi)(qi)和氧(yang)氣(qi)(qi)運到(dao)礦(kuang)山的費(fei)用，以及采用化(hua)石燃料作為熱(re)源的費(fei)用都相(xiang)當昂貴；所以銅(tong)礦(kuang)只能在礦(kuang)場生(sheng)(sheng)產氧(yang)化(hua)銅(tong)，然后于(yu)將氧(yang)化(hua)銅(tong)運到(dao)工廠(chang)，精(jing)煉成(cheng)銅(tong)；這樣的生(sheng)(sheng)產流(liu)程也會使礦(kuang)山失去了(le)生(sheng)(sheng)產有價(jia)值的銅(tong)產品機會。

“而這項HyS技術將能夠在現(xian)場提(ti)供生產出最終銅(tong)產品。”Sattler表(biao)示。

Jafarian補充(chong)說：“我們(men)設計了(le)一個可以(yi)將HyS集成到(dao)銅(tong)(tong)加(jia)(jia)工(gong)中的(de)系統。目(mu)前，我們(men)正在(zai)與DLR合(he)作，將HyS整合(he)到(dao)銅(tong)(tong)加(jia)(jia)工(gong)中，從而(er)為銅(tong)(tong)加(jia)(jia)工(gong)和(he)(he)采(cai)礦業現場生產氫氣和(he)(he)氧氣。這使我們(men)每年可以(yi)為銅(tong)(tong)加(jia)(jia)工(gong)商提供大約(yue)9到(dao)10個月的(de)氫氣和(he)(he)氧氣。從經濟角度講，它甚至可以(yi)與使用化(hua)石燃(ran)料(liao)的(de)最新(xin)制氫技術相(xiang)提并(bing)論(lun)。”

一旦將太陽能氫作為(wei)對銅礦(kuang)開采業(ye)的(de)(de)工(gong)業(ye)服務組成部分進行生(sheng)產(chan)，便可以將其作為(wei)獨立(li)的(de)(de)能源載體進行大規模生(sheng)產(chan)，并在難以脫碳的(de)(de)領域中得(de)到(dao)許多應用，例如，貨(huo)物運輸等(deng)重型運輸，從而建立(li)了規模化生(sheng)產(chan)。

Jafarian指出，BHP Group是世界(jie)上最大的礦業公司，在澳(ao)大利亞擁(yong)有主要股(gu)份(fen)。上個月(yue)，BHP Group發布(bu)了綠色氫計劃。“如果這(zhe)家巨(ju)頭想(xiang)要綠色氫氣(qi)，那對我們來說是最好(hao)的機會，而澳(ao)大利亞目前擁(yong)有做到這(zhe)些(xie)的所(suo)有基礎設施、能力和資源。”

澳大利亞將試用這種基于硫的太陽能熱化學技術

阿德(de)萊德(de)大學太陽能(neng)研(yan)究工程師阿方索·基尼奇（Alfonso Chinnici）也認為，澳大利亞是HyS研(yan)究可(ke)以(yi)首先商業化的(de)地(di)方。一項私營/公共的(de)重工業脫碳倡議已經(jing)通過(guo)一個合作研(yan)究中心（CRC）HyS技術即將獲得試驗。

同時(shi)也參與(yu)澳(ao)大利亞(ya)希爾特(te)CRC項目(mu)的Chinnici指出(chu)，DLR即將向澳(ao)大利亞(ya)運送接收器，在(zai)實驗(yan)室進(jin)行小型試驗(yan)。他(ta)說：“然(ran)后計(ji)劃在(zai)2022年進(jin)行一次太(tai)陽測試——在(zai)戶外用太(tai)陽定日鏡場(chang)進(jin)行測試。”

“我(wo)認為DLR具有(you)相當(dang)快的(de)程(cheng)序，因為它不是從零開始(shi)的(de)。DLR的(de)克(ke)里(li)斯(si)蒂安(an)（Christian）小組已儲備了(le)(le)相當(dang)多的(de)專(zhuan)業(ye)知識，他(ta)們(men)從開始(shi)有(you)了(le)(le)想法，以及(ji)進行(xing)接(jie)收器研制工(gong)作已有(you)5年。”

Jafarian表示，將(jiang)繼(ji)續對這(zhe)(zhe)項先進的(de)太(tai)陽能技術(shu)(shu)進行(xing)測試的(de)其他改(gai)進：“我們還在(zai)(zai)研(yan)究另一(yi)種技術(shu)(shu)，以改(gai)進將(jiang)太(tai)陽能引入系統的(de)方(fang)式。我們正在(zai)(zai)研(yan)究一(yi)種稱為(wei)太(tai)陽腔氣泡接收器(qi)(qi)的(de)太(tai)陽能接收器(qi)(qi)，現已經進行(xing)了一(yi)些技術(shu)(shu)評(ping)估(gu)，發現這(zhe)(zhe)還具有(you)進一(yi)步降低(di)成本的(de)潛力(li)。”

IMAGE 澳大(da)利亞阿德萊德的Mehdi Jafarian大(da)學(xue)（摘自論文：具(ju)有鼓泡傳熱(re)(re)的太陽能接(jie)收器，用于加(jia)熱(re)(re)加(jia)壓氣體）

“目(mu)前評估主要(yao)基于DLR開(kai)發(fa)的技(ji)術。但是(shi)，我們(men)也(ye)在并(bing)行(xing)開(kai)發(fa)一項新技(ji)術，進一步降低銅行(xing)業的制(zhi)氫成本方(fang)面也(ye)具(ju)有巨(ju)大的潛(qian)力(li)。”

在(zai)全球范圍(wei)內，由于清潔(jie)能源(yuan)(yuan)技(ji)術的(de)(de)(de)增長(chang)，銅(tong)行業需(xu)要(yao)快(kuai)速增長(chang)以滿(man)足(zu)(zu)需(xu)求的(de)(de)(de)增長(chang)，并且(qie)在(zai)滿(man)足(zu)(zu)需(xu)要(yao)替(ti)代化石能源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)新氣(qi)候目標的(de)(de)(de)同(tong)時做到這(zhe)一點。據彭博社預(yu)測，到2030年，銅(tong)的(de)(de)(de)年供應(ying)赤字將(jiang)達到470萬噸，因此(ci)，有(you)必要(yao)采用(yong)經濟的(de)(de)(de)方法來提煉可利用(yong)清潔(jie)能源(yuan)(yuan)提供熱量的(de)(de)(de)銅(tong)。澳(ao)大利亞銅(tong)業公司已意識到采用(yong)清潔(jie)能源(yuan)(yuan)降(jiang)低碳(tan)排放已迫(po)在(zai)眉睫。