瑞士“人造树”：绿氢的新产地
一种独特的太阳能反应堆有望解决与绿氢能源发展相关的两个难题：高昂的成本和运输上的困难。第一个试点系统将于2024年2月在瑞士投入使用，这项创新技术同时也引发了国外的关注。
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安装在洛桑联邦理工学院院校内的一台抛物面反射器吸引了众人的目光。该设备直径长达七米，对着天空的方向，相似的外表让人联想到了射电望远镜。然而，这台装置的设计目的并不是为了探测来自太空的无线电波，而是利用太阳光线和水来制造氢气。
洛桑联邦理工学院可再生能源科学与工程实验室的负责人索菲亚·豪斯纳 (Sophia Haussener) 表示，这是太阳能制氢在系统层面上的首次演示。与在实验室里完成的试验不同，此次演示意味着，由该学院研发的原型设备囊括了连续制氢所需的全部要素。
氢能是种零碳燃料，能被用作电池来储存可再生能源。其挑战在于能够以可盈利方式从地下开采，或是使用可再生能源以可接受的价格大量生产。氢能也是11月20日至12月12日在迪拜举行的2023年联合国气候变化大会(COP28)的主要议题之一。这个系列文章旨在探讨氢能的潜力和局限性，以及科学和工业在寻找未来绿色燃料中的作用，本文即是其中之一。
EPFL旗下的洁净科技初创公司SoHHytec为这套名为Arb (拉丁语中的“树”) 的新型制氢系统申请了专利。该系统旨在解决绿氢作为未来能源载体在发展道路上遇到的两大难题：过高的制氢成本以及运输上的困难。
简单来说，Arb系统能够在其使用地点附近生产氢气。其制氢成本接近甚至低于灰氢的生产成本。灰氢提取自甲烷和煤炭，具有高碳排放的特点。而事实上，目前世界上96%的氢气产品均来自于化石燃料。
Arb系统的这些主要优势特征为SoHHytec公司筹集到了超过300万瑞郎的资金。最重要的是，该系统同时为众多活跃在冶金、能源及物流领域的公司注入了信心。这些公司致力于发展可再生氢能源，从而达到减少二氧化碳排放的目标。如今，经过十年的研发，瑞士的这棵“人造制氢树”也终于开始向大众展现它的实力。
“人造树”如何制氢？
通过抛物面反射镜，太阳光线得到反射并集中在位于焦点处的反应堆中。在反应堆内部，由太阳产生的电流以一种类似于植物光合作用的方式将水分子分解为氢气和氧气。
为了将性能最大化，该系统会自主旋转并跟紧太阳在空中的位置 (参见下方视频)。由于连接了一个外部电源，即便是在阴天或是在夜间，这套装置也能将氢气生产出来。
Arb系统的独特之处在于它回收制氢过程中产生的热量和氧气的能力。这些回收来的热量可用来加热建筑物的内部环境或是为一些特定的工业流程进行预热，而通常被当作废气的氧气则可被送去医院用来治疗呼吸衰竭的病患。
SoHHytec公司认为，和利用太阳能或水电生产绿氢的传统制氢工厂相比，他们的Arb系统表现出了更高的效率。按照该初创企业的说法，若将回收的热量和氧气一并纳入考量的话，该系统将展示出接近80%的工作效率。
“人造树”的氢产量足以为汽车提供动力
SoHHytec 公司的联合创始人索拉布·坦布恩(Saurabh Tembhurne)向瑞士资讯解释道，Arb系统生产的氢气拥有超过99%的纯度并在反应堆中完成预压缩从而达到随时待用的状态。该原型设备每天可生产出半公斤左右的氢气，而该产量可为一辆每日行驶70公里左右的氢燃料电池汽车提供足够的动力。
几十年来，尽管大众对用于生产绿氢的光化学反应并不陌生，这类技术的实际应用却因各种障碍而大为受限。荷兰特文特大学(Universiteit Twente)的机械工程师加南·阿卡尔(Canan Acar)在回复瑞士资讯的电子邮件中写道，洛桑联邦理工学院研发的Arb制氢系统标志着可持续能源解决方案道路上的一次重大突破。这位研究绿氢已超过15年的专家表示：“该系统的本地化生产能力一方面减少了对大规模运输物流的需求，另一方面也进一步增强了其实用性与可扩展性。”
据估计，Arb制氢系统的寿命在20年左右。正如以下动画所示，想要达到增产的目的，只需扩大抛物线反射器的直径或增加这些“人造树”的数量即可。
冶金公司首次启用“人造树”制氢系统
明年二月起，瑞士西南部沃州艾格勒镇 (Aigle) 一家名为Zwahlen & Mayr的专业金属加工企业将首次启用“人造树”示范系统。该公司计划借助一个由Arb系统组成的“人造花园”来自行生产一部分制造不锈钢管所需的氢气。
Zwahlen & Mayr公司将在他们的工厂旁边安装5个直径为9米、总功率为20兆瓦的Arb系统。副总监克里斯蒂安·夏平(Christian Charpin)透露，这项操作预计将涵盖该公司大约20%的氢气需求。制氢过程中产生的热量将用来加热工厂用水，而氧气将被送往该地区的医院用于治疗。
此外，SoHHytec公司还打算将这项创新技术出口到国外。美国加利福尼亚州即将敲定的一个项目预计将创建一座由一千套Arb系统构成的“人造树公园”，而该“公园”的年产氢量将高达2400吨。这类制氢工厂可为重型运输提供绿色燃料，并能为大约150辆日里程数为500公里的卡车提供足够的动力。
索拉布·坦布恩认为，仅仅依靠被Arb系统集中起来的太阳光线就有可能让美国绿氢的生产价格降至每千克2.5美元左右。该成本十分接近灰氢 (产自甲烷) 的生产价格。而目前在瑞士，每千克绿氢的价格则在15至23瑞郎之间。坦布恩表示，如果有医院愿意购买制氢过程中产生的氧气，氢气的价格还将进一步降低。
与此同时，SoHHytec公司还在与一些来自印度的电力生产商、化工业者以及运输公司进行商讨。这些商业伙伴的愿望是用氢气来替代卡车和火车中的柴油。
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气候条件的重要性
在加南·阿卡尔看来，这类技术的成功与它们的实施环境息息相关。例如，太阳能氢系统的效率和可操作性高度依赖地理和气候条件。这位专家强调道：“太阳辐照度高的地区受益最大。反之，在阳光照射较少的地区，这些技术的可行性将会受到限制。”
为了将Arb系统纳入整体发展目标，人们需要对现有的工业结构进行技术上的调整。加南·阿卡尔表示，想要完成这个任务，经济层面上的考量和来自企业方面的精心规划不可或缺。
作为一家初创企业，SoHHytec目前专注于工业领域。有兴趣的公司可以对其基础设施进行投资或在预定价格的基础上与其签订长期的供氢协议。
然而，SoHHytec公司并不排除将未来的业务范围拓展至住宅应用领域的可能性。 对此，索拉布·坦布恩表示，氢在居家环境中的使用尚未得到广泛传播，并受到地方法规的严格约束。但同时，这位专家憧憬道：“我们可以试着想象为单户住宅安装上小型抛物面反射器。有了这些设备，人们便可以在自己的花园中制造出日常所需的能量与热量。”
(译自意大利语：Jun Aikens，编辑：Sabrina Weiss)
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