瑞士「人造樹」：綠氫的新產地

由洛桑聯邦理工學院(EPFL)研發的原型設備每天可生產多達半公斤的綠色氫氣。 © Lionel Caloz 2022

一種獨特的太陽能反應器有望解決與綠色氫氣能源發展相關的兩個難題：高昂的成本和運輸上的困難。第一個試點系統將於2024年2月在瑞士投入使用，這項創新技術同時也引發了國外的關注。

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安裝在洛桑聯邦理工學院院校內的一台拋物面反射器吸引了眾人的目光。該設備直徑長達七公尺，對著天空的方向，相似的外觀讓人聯想到了電波望遠鏡。然而，這台裝置的設計目的並不是為了探測來自太空的無線電波，而是利用太陽光線和水來製造氫氣。

洛桑聯邦理工學院再生能源科學與工程實驗室的負責人Sophia Haussener表示，這是太陽能製氫在系統層面的首次展示。與在實驗室裡完成的試驗不同，此演示意味著，由該學院研發的原型設備囊括了連續氫氣生產所需的全部要素。

氫能為何對能源轉型而言至關重要

氫能是種零碳燃料，能被用作電池來儲存再生能源。其挑戰在於能夠以可獲利方式從地下開採，或使用再生能源以可接受的價格大量生產。氫能也是11月20日至12月12日在杜拜舉行的2023年聯合國氣候變遷大會(COP28)的主要議題之一。這個系列文章旨在探討氫能的潛力和局限性，以及科學和工業在尋找未來綠色燃料中的作用，本文就是其中之一。

EPFL旗下的潔淨科技新創公司SoHHytec為這套名為Arb (拉丁語中的「樹」) 的新型製氫系統申請了專利。該系統旨在解決綠氫作為未來能源載體在發展道路上遇到的兩大難題：過高的氫氣成本以及運輸上的困難。

簡單來說，Arb系統能夠在其使用地點附近生產氫氣。其製氫成本接近甚至低於灰氫的生產成本。灰氫提取自甲烷和煤炭，具有高碳排放的特性。而事實上，目前全球96%的氫氣產品都來自於化石燃料。

Arb系統的這些主要優勢特徵為SoHHytec公司籌集了超過300萬瑞郎的資金。最重要的是，該系統同時為許多活躍在冶金、能源及物流領域的公司注入了信心。這些公司致力於發展再生氫能源，從而達到減少二氧化碳排放的目標。如今，經過十年的研發，瑞士的這棵「人造製氫樹」也終於開始向大眾展現它的實力。「人造樹」如何製氫？

透過拋物面反射鏡，太陽光線會反射並集中在位於焦點的反應器中。在反應器內部，由太陽產生的電流以類似植物光合作用的方式將水分子分解為氫氣和氧氣。

集中了太陽光線的反應器：氫氣在這裡被製作出來。 SoHHytec

為了將性能最大化，系統會自主旋轉並跟緊太陽在空中的位置 (參見下方影片)。由於連接了一個外部電源，即便在陰天或夜間，這套裝置也能將氫氣生產出來。

Arb系統的獨特之處在於它回收氫氣製造過程中產生的熱量和氧氣的能力。這些回收來的熱量可用於加熱建築物的內部環境或為一些特定的工業流程進行預熱，而通常被當作廢氣的氧氣則可被送去醫院用來治療呼吸衰竭的患者。

SoHHytec公司認為，和利用太陽能或水力發電生產綠色氫的傳統氫氣工廠相比，他們的Arb系統表現出了更高的效率。根據該新創企業的說法，若將回收的熱量和氧氣一併納入考慮的話，該系統將展示出接近80%的工作效率。

「人造樹」的氫產量足以為汽車提供動力

SoHHytec公司的聯合創始人Saurabh Tembhurne向瑞士資訊解釋道，Arb系統生產的氫氣擁有超過99%的純度並在反應器中完成預壓縮從而達到隨時待用的狀態。該原型設備每天可生產出半公斤左右的氫氣，而該產量可為一輛每日行駛70公里左右的氫燃料電池汽車提供足夠的動力。

幾十年來，儘管大眾對用於生產綠色氫的光化學反應並不陌生，但這類技術的實際應用卻因各種障礙而大為受限。荷蘭特文特大學(Universiteit Twente)的機械工程師加南·阿卡爾(Canan Acar)在回覆瑞士資訊的電子郵件中寫道，洛桑聯邦理工學院研發的Arb製氫系統標誌著永續能源解決方案道路上的一次重大突破。這位研究綠氫已超過15年的專家表示：「該系統的本地化生產能力一方面減少了對大規模運輸物流的需求，另一方面也進一步增強了其實用性與可擴展性。」

據估計，Arb製氫系統的壽命約為20年。正如以下動畫所示，想要達到增產的目的，只需擴大拋物線反射器的直徑或增加這些「人造樹」的數量即可。

冶金公司首次啟用「人造樹」氫氣產生系統

明年二月起，瑞士西南部沃州艾格勒鎮 (Aigle) 一家名為Zwahlen & Mayr的專業金屬加工企業將首次啟用「人造樹」示範系統。該公司計劃借助一個由Arb系統組成的「人造花園」來自行生產一部分製造不銹鋼管所需的氫氣。

Zwahlen & Mayr公司將在他們的工廠旁邊安裝5個直徑為9公尺、總功率為20兆瓦的Arb系統。副總監克里斯蒂安·夏平(Christian Charpin)透露，這項作業預計將涵蓋該公司約20%的氫氣需求。氫氣生產過程中產生的熱量將用來加熱工廠用水，而氧氣將被送往該地區的醫院用於治療。

此外，SoHHytec公司也打算將這項創新技術出口到國外。美國加州即將敲定的一個項目預計將創建一座由一千套Arb系統構成的「人造樹公園」，而該「公園」的年產氫量將高達2400噸。這類氫氣生產廠可為重型運輸提供綠色燃料，並能為約150輛日里程數為500公里的卡車提供足夠的動力。

索拉布·坦布恩認為，僅僅依靠被Arb系統集中起來的太陽光線就有可能讓美國綠氫的生產價格降至每公斤2.5美元左右。此成本十分接近灰氫 (產自甲烷) 的生產價格。 而目前在瑞士，每公斤綠氫的價格則在15至23瑞郎之間。坦布恩表示，如果有醫院願意購買氫氣生產過程中產生的氧氣，氫氣的價格還會進一步降低。

同時，SoHHytec公司也正在與一些來自印度的電力生產商、化工業者以及運輸公司進行商討。這些商業夥伴的願望是用氫氣來取代卡車和火車中的柴油。

氣候條件的重要性

在加南·阿卡爾看來，這類技術的成功與它們的實施環境息息相關。例如，太陽能氫系統的效率和可操作性高度依賴地理和氣候條件。這位專家強調：「太陽輻照度高的地區受益最大。反之，在陽光照射較少的地區，這些技術的可行性將會受到限制。」

為了將Arb系統納入整體發展目標，人們需要對現有的產業結構進行技術上的調整。加南·阿卡爾表示，想要完成這個任務，經濟層面的考量和來自企業的精心規劃不可或缺。

作為一家新創企業，SoHHytec目前專注於工業領域。有興趣的公司可以對其基礎設施進行投資或在預定價格的基礎上與其簽訂長期的供氫協議。

然而，SoHHytec公司並不排除將未來的業務範圍拓展至住宅應用領域的可能性。對此，索拉布·坦布恩表示，氫在居家環境中的使用尚未廣泛傳播，並受到地方法規的嚴格約束。但同時，這位專家憧憬道：「我們可以試著想像為單戶住宅安裝上小型拋物面反射器。有了這些設備，人們便可以在自己的花園中製造出日常所需的能量與熱量。」

(譯自義大利語：Jun Aikens，編輯：Sabrina Weiss)