综述：太阳能热氢生产：进展、挑战与展望的工程综述

《Energy Conversion and Management-X》：Solar-thermal hydrogen production: an engineering review of advances, challenges, and perspectives

本综述聚焦太阳能热氢生产技术的工程化评估与系统集成挑战，系统梳理了过去十年该领域的进展，并采用八个决策相关性标准（集热器/接收器、存储、温度可行性、混合化、原料/产品、集成场景、示范规模和工程经济）对不同技术路径（如甲烷重整、热化学循环、高温电解等）进行横向比较，旨在识别出最具潜力实现高太阳能占比与低成本氢气的技术组合，并为加速工业部署指明系统设计、储热、材料等关键研究方向。

　　

氢能是实现深度脱碳的关键能源载体，但其可持续性与成本高度依赖于一次能源。太阳能驱动制氢为将丰富的太阳能转化为可储存的化学燃料提供了一条路径。与传统纯电力制氢方法相比，太阳能热及热化学路径在系统层面具备多个潜在优势，例如，高温热能通常比电力更便宜、一些热化学循环具备固有的化学储能能力等。然而，其规模化也面临一系列挑战，包括太阳能的间歇性、热循环、高温储热技术的限制、反应器材料耐久性以及原料处理等。

太阳能热氢生产方法

本篇综述涵盖的主要技术路径包括：太阳能驱动的甲烷及碳氢化合物重整、太阳能热甲烷裂解、生物质及废弃物的太阳能气化、太阳能辅助高温电解（SOEC）以及热化学过程。

太阳能驱动甲烷及碳氢化合物重整

该技术利用太阳能提供甲烷蒸汽重整（SMR）过程所需的高温反应热（约800°C），从而替代部分原本需要燃烧化石燃料提供的热量。这可以节约20-40%的甲烷消耗，相应降低二氧化碳排放。典型的集热器为塔式或碟式系统。由于缺乏成熟的约800°C高温储热技术，该路径通常采用混合模式运行，即利用辅助燃烧来维持夜间或阴天时的反应器温度，以保证连续生产。其技术成熟度（TRL）约为6，已有多个10-100千瓦级的示范项目。经济性方面，其氢气平准化成本（LCOH）取决于天然气价格与碳价，在有碳定价或内部化碳成本的情况下，太阳能SMR的氢气成本可与传统SMR竞争。

太阳能热甲烷裂解

该过程将甲烷在高温（1200-1500°C）下直接分解为氢气和固体碳（如炭黑），不产生二氧化碳。太阳能可提供全部反应热，产品氢气被称为“蓝绿色氢”。该技术面临的核心挑战是缺乏成熟的高温（>1200°C）储热方案，以及反应器中碳沉积导致的结垢问题。集热器需要极高通量密度的塔式或碟式系统。其技术成熟度（TRL）约为4，处于实验室验证阶段。经济性高度依赖于固体碳副产品的价值，若能成功销售炭黑等产品，氢气成本有望具备竞争力，并在碳管制严格的未来成为具有吸引力的近零排放制氢方案。

生物质及废弃物的太阳能气化

该技术利用太阳能高温热为生物质气化过程提供全部或部分热量（>700°C，最佳1200-1300°C），属于外热气化。与传统的自热气化相比，它可以提高氢气产率，并实现更高的太阳能转化效率（实验规模已达27%的太阳能到燃料效率）。为了应对太阳能间歇性，该路径通常设计为与生物质部分燃烧的混合模式，以维持连续运行。其主要挑战在于高温储热技术不成熟、固体原料在太阳光通量下的处理以及焦油控制。技术成熟度（TRL）约为4。其经济性在考虑碳信用（负排放）时极具吸引力，否则成本较高，且受生物质原料物流成本影响大。

太阳能辅助高温电解（SOEC）

高温固体氧化物电解池（SOEC）在750-850°C下工作，其电解水制氢的电耗比室温电解低约30%。太阳能热可以用于产生蒸汽并维持电解堆温度，从而进一步降低对电力的需求。该路径可以方便地与热能存储（TES）结合，实现24小时连续运行。电力可来自光伏、电网或光热发电汽轮机。技术成熟度上，SOEC技术本身较为成熟（TRL~7），但与太阳能热的集成系统仍处于示范阶段（TRL~4）。其氢气成本预计在可再生能源电力成本较低的情况下可达2-4美元/千克，是前景广阔的高效制氢方案。

热化学过程

热化学水分解循环通过一系列化学反应，利用热能直接将水分解为氢气和氧气，避免了直接高温热分解水的高能耗。主要循环包括：

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  金属氧化物氧化还原循环（如氧化铈、铁氧体）：利用金属氧化物在高温（约1200-1500°C）下释放氧气，再在较低温度（约800-1000°C）下与水反应生成氢气的两步骤循环。该循环本身具有化学储能能力。技术挑战包括高温下材料稳定性、循环效率和固体物料处理。目前处于实验室/中试阶段（TRL~5）。
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  硫基热化学循环（如混合硫HyS循环）：涉及硫酸在约800°C下的太阳能热分解和二氧化硫的电化学氧化步骤。其电解步骤所需的电能仅为常规水电解的约七分之一。该路径可与颗粒等高温储热技术结合。技术挑战在于耐酸材料和电解槽的耐久性。目前处于实验室原型向中试过渡阶段（TRL~4-5）。
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  铜-氯（Cu-Cl）循环：这是一种中低温热化学循环，最高温度需求约500°C。其优点是可以利用成熟的槽式或菲涅尔式集热系统以及熔盐储热技术，实现较高的调度能力。挑战在于过程的复杂性和含氯环境的材料腐蚀。目前处于实验室集成验证阶段（TRL~3-4）。

比较总结与技术挑战

通过八个工程标准的横向比较，不同技术路径在温度需求、储热可行性、调度能力、技术成熟度和经济性等方面各有优劣。例如，太阳能SMR和生物质气化因其可混合运行，目前调度能力较强；而硫基循环、Cu-Cl循环和SOEC则更容易与现有中高温储热技术结合，实现较高的太阳能占比和容量因子。

当前太阳能热氢生产面临的共性关键技术挑战（瓶颈）包括：

1. 1.
   高温（≥800–1200 °C）热能存储：缺乏成熟可靠的材料、容器和系统，限制了路径的调度能力和经济性。
2. 2.
   接收器/反应器在非均匀高热通量及热循环下的耐久性：热应力、疲劳和材料退化影响系统可用性和运维成本。
3. 3.
   高温密封与连接可靠性：在苛刻的化学环境和温度压力循环下，泄漏和失效是普遍问题。
4. 4.
   太阳通量-反应器匹配与可控性：如何将高度集中的太阳能高效、均匀、可控地传递到化学反应区，并应对太阳辐照的快速波动。
5. 5.
   大规模、长寿命、低成本的材料：包括耐高温、抗腐蚀、抗热震的反应器材料，以及高性能、低成本的储热介质和催化剂。

结论与展望

太阳能热氢生产技术为实现低成本、低碳乃至零碳的可持续氢能提供了多样化且有前景的路径。未来研究应优先聚焦于解决上述跨领域的工程瓶颈，特别是高温储热和反应器耐久性问题。通过系统层面的优化设计，将高效的集热-储热系统与合适的制氢工艺相匹配，并推动中试规模向商业示范的跨越，是加速该技术产业化部署、使其在深度脱碳能源系统中发挥关键作用的关键。