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集中式太阳能聚光技术驱动硫碘热化学制氢系统的能源、经济与环境效益对比研究表明，Solar Tower（ST）系统因高太阳转换效率（24.49%）和较低热损失成为最优选择，其单位制氢成本（4.45美元/kg）显著低于其他技术，但LFC系统因材料输入高导致环境性能最差。敏感性分析揭示太阳能设备性能和系统寿命是影响经济与环境指标的关键因素。
曾俊杰|何勇|宋文龙|邓建安|翁文斌|王志华
浙江大学清洁能源利用国家重点实验室，中国杭州310027
摘要
太阳能和热化学循环系统为生产可持续能源载体提供了一条有前景的途径。本研究比较了不同聚光太阳能技术（太阳能塔（ST）、抛物面槽式集热器（PTC）和线性菲涅尔集热器（LFC）驱动的硫碘（S-I）热化学循环制氢系统的能量、经济和环境效益。能量分析表明，ST系统的太阳能到氢气的转换效率最高（24.49%），这归因于其较高的工作温度、较高的浓度比以及较低的热损失，从而实现了高效的接收器性能和氢气生产能力。由于接收器温度的限制，PTC和LFC系统的效率略低于ST系统。在所有系统中，太阳能部分是能量损失的主要来源。经济评估显示，100 MW的ST系统由于其较低的投资成本（4.7144亿美元）、较高的氢气产量（16.43千吨/年）和具有竞争力的氢气价格（4.45美元/千克）而具有最佳的经济性能。生命周期评估（LCA）表明，ST系统的环境性能更优，而LFC系统由于材料投入量大，环境性能最差。生产阶段对系统的环境影响最大。最后，敏感性分析表明，太阳能设备和运行寿命是影响系统经济和环境性能的重要因素。
引言
随着经济和社会的快速持续发展，全球碳排放持续增加，气候变化正在加剧。目前，世界各地的研究人员都在努力寻找可再生、可持续和清洁的能源载体以减轻碳排放过程。其中，氢气因其高能量密度、可扩展性和可调性而被认为是解决未来能源问题的关键[1]，[2]。目前大多数氢气是通过天然气化和蒸汽重整从化石燃料中生产的，这导致了更多的二氧化碳排放[3]。因此，如何从水中生产绿色和可持续的氢气受到了广泛关注。电化学[4]、光电化学[5]和热化学[6]，[7]是目前主流的绿色氢气生产方法。其中，热化学水分解循环被认为是最有前景的氢气生产方法之一，因为它们适合大规模生产[8]，具有较高的循环效率[9]和良好的经济效益[10]。
基于化学反应的组合，已经提出了超过3000种热化学循环，包括S-I循环、Cu-Cl循环和金属氧化物循环[11]。S-I循环[12]，[13]涉及硫酸分解反应，因此需要大约900°C的高温。Cu-Cl循环[14]，[15]通过引入电解过程，可以将温度降低到500°C，但它引入了气体-固体分离问题。金属氧化物循环[16]的过程最简单，通过金属氧化物的氧化还原反应产生氢气，但其温度要求非常严格，需要超过1600°C。考虑到循环温度、工程成本、环境友好性和反应效率等因素，S-I循环是目前最适合大规模生产氢气的循环之一[12]，[17]，[18]，[19]。
S-I循环包括Bunsen部分、H2SO4部分和HI部分。H2SO4部分和HI部分分别需要高温和中等温度的热源。为了生产更清洁的氢气，目前太阳能无疑是首选[20]。然而，太阳能的间歇性对稳定和连续的热化学循环制氢生产提出了挑战。为了解决这一太阳能加热问题，Giaconia等人[21]采用了太阳能和化石热源的组合。一个267 MW的抛物面槽式集热器（PTC）提供中低温热源，而高温热源由化石能源提供，最终实现了26千吨/年的氢气生产规模。Liberatore等人[22]分别使用太阳能塔（ST）和PTC提供高温和中低温热源，他们设计的36.5千吨/年氢气工厂实现了21%的系统转换效率。Yilmaz等人[23]详细研究了参考环境和反应温度对ST驱动的S-I循环制氢系统能耗的影响，表明ST部分的能耗最高。随后，Cumpston等人[24]使用了一个113 MW的PTC和一个80 MW的ST来驱动S-I氢气生产系统。他们设计并分析了系统的工业过程和实际反应设备，实现了38%的系统热到氢转换效率。最近，Sun等人[25]提出使用空气作为传热介质，并采用超临界布雷顿循环进行热回收。结果表明，增加直接法向辐照度（DNI）、最大反应温度和布雷顿循环再生比可以显著提高系统性能。
目前，许多关于聚光太阳能驱动的S-I循环的研究主要集中在S-I循环本身。太阳能组件被简化为一个稳定的热源，而没有对系统太阳能部分中的组件（如定日镜场或接收器）进行详细分析。现有的关于聚光太阳能驱动的Cu-Cl循环系统的研究表明，太阳能部分的能量损失占总系统能量损失的最大部分，超过30%[26]，[27]。因此，有必要对系统中的所有组件进行全面分析，以支持未来的系统优化和设计。此外，大多数现有研究仅使用单一的聚光太阳能技术，包括仅使用ST、PTC或ST/PTC的组合配置。而且，这些研究通常只关注热力学[28]、经济[24]或环境[29]影响中的一个或两个方面。这导致在比较不同研究时结果的可信度降低，因为研究人员采用了不同的方法、太阳能场规模、工厂容量和其他参数，缺乏统一的比较标准。
为了能够使用相对统一的标准对聚光太阳能驱动的S-I氢气生产系统进行全面的比较分析，并确定适合当前和未来大规模应用的技术，本文采用了Aspen Plus软件以及每个太阳能组件的数学模型来进行过程热力学建模。基于热力学分析结果对系统进行了经济评估。最后，使用生命周期评估（LCA）方法进行了环境分析。整个分析过程考察了三种聚光太阳能制氢技术，确定合适的太阳能制氢技术对于促进未来的大规模工程应用具有重要意义。
部分摘录
系统描述
如图1所示，聚光太阳能制氢系统由一个太阳能系统和一个S-I循环系统组成。太阳能系统包括反射镜场、接收器、热能存储系统（TES）和发电模块，而S-I循环系统通过Bunsen反应、HI分解和硫酸分解反应实现水分解为氢气和氧气。太阳能系统通过反射镜场将太阳能聚焦到接收器上，进行加热
模型和方法
为了方便数据比较分析，本工作中所有聚光太阳能途径的初始发电能力（100%发电，0%氢气生产）预设为100 MWnet。原材料供应和过程消耗进一步根据每种聚光太阳能技术的运行温度确定。对于热力学建模，由于太阳能和发电部分不涉及复杂的化学反应过程，因此
能量分析
图7显示了S-I循环系统中主要耗能和放热组件的能量吸收和释放情况。S-I循环系统中的能量消耗主要集中在HI蒸馏（DIS）和H2SO4闪蒸（FLASH）过程中，分别为1270.78和316.39 kJ/mol H2。为了降低能耗并提高系统效率，充分考虑了系统内的内部热交换。
结论
本研究对太阳能制氢系统进行了全面比较，评估了能量、经济和环境影响，并识别和强调了影响系统经济成本和环境的关键因素。为了标准化比较，太阳能系统的容量设定为100 MWnet。使用Aspen Plus软件和太阳能组件的数学模型进行了氢气生产系统的热力学建模，获得了
CRediT作者贡献声明
曾俊杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，数据管理。何勇：软件，资源，项目管理，方法论，资金获取。宋文龙：项目管理，方法论，调查，正式分析。邓建安：项目管理，方法论，调查，正式分析。翁文斌：软件，资源，项目管理，正式分析，数据管理。王志华：资源，项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了智能电网-国家科学技术重大项目（2024ZD0801704）、国家自然科学基金（52125605）和中央高校基本科研业务费（2022ZFJH04）的支持。
