不使用化石燃料冶炼钢铁：太阳能打破了工业供热的1000°C壁垒

瑞士研究人员开发了一种太阳能方法，使用合成石英使工业过程的温度达到1000°C以上，有可能在钢铁和水泥等材料的生产中取代化石燃料。

瑞士的科学家希望利用来自太阳的热量，而不是燃烧化石燃料来达到冶炼钢铁和生产水泥所需的温度。这项概念验证研究使用合成石英在超过1,000°C（1,832°F）的温度下捕获太阳能，证明了该方法在为碳密集型行业提供清洁能源方面的潜在作用。该研究的论文于5月15日发表在《设备》杂志上。

脱碳的必要性

“为了应对气候变化，我们需要总体上实现能源脱碳，”瑞士苏黎世联邦理工学院的通讯作者埃米利亚诺·卡萨蒂（Emiliano Casati）说。“人们往往只认为电是能源，但实际上，大约一半的能源是以热的形式使用的。

玻璃、钢铁、水泥和陶瓷是现代文明的核心，对于建造从汽车发动机到摩天大楼的一切至关重要。然而，制造这些材料需要超过 1,000°C 的温度，并且严重依赖燃烧化石燃料来取暖。这些行业约占全球能源消耗的25%。研究人员已经探索了一种使用太阳能接收器的清洁能源替代方案，该接收器通过数千个太阳跟踪镜集中并产生热量。然而，该技术难以在1000°C以上有效传输太阳能。

实验性热阱图示。它由石英棒（内部）和陶瓷吸收器（外部）组成。太阳辐射从前部进入，热量在后部产生。图片来源：Casati E et al.设备 2024，已编辑

创新型太阳能接收器

为了提高太阳能接收器的效率，卡萨蒂转向了半透明材料，如石英，这种材料可以捕获阳光，这种现象称为热阱效应。该团队通过将合成石英棒连接到不透明的硅盘上作为能量吸收器来制作一种热捕获装置。当他们将设备暴露在相当于来自136个太阳的光的能量通量下时，吸收板达到1,050°C（1,922°F），而石英棒的另一端保持在600°C（1,112°F）。

在太阳能热捕获方面开辟新天地 “以前的研究只设法证明了高达170°C（338°F）的热捕获效应，”Casati说。“我们的研究表明，太阳能热捕获不仅在低温下起作用，而且在远高于1000°C的温度下起作用。 这对于展示其在实际工业应用中的潜力至关重要。

使用传热模型，该团队还模拟了石英在不同条件下的热捕获效率。该模型表明，热捕获在相同性能的较低浓度下达到目标温度，或在相同浓度的较高热效率下达到目标温度。例如，最先进的（非屏蔽）接收器在 1,200°C 时的效率为 40%，浓度为 500 个太阳。用 300 mm 石英屏蔽的接收器在相同的温度和浓度下可实现 70% 的效率。非屏蔽接收器需要至少 1,000 个太阳的浓度才能达到可比的性能。

未来方向和经济可行性

Casati和他的同事们现在正在优化热捕获效果，并研究该方法的新应用。到目前为止，他们的研究一直很有希望。通过探索其他材料，例如不同的流体和气体，他们能够达到更高的温度。研究小组还指出，这些半透明材料吸收光或辐射的能力不仅限于太阳辐射。

“能源问题是我们社会生存的基石，”卡萨蒂说。“太阳能是现成的，技术已经在这里。为了真正激励行业采用，我们需要大规模展示这项技术的经济可行性和优势。

参考资料：Emiliano Casati、Leo Allgoewer 和 Aldo Steinfeld 的“1,000°C 及以上的太阳热捕获”，2024 年 5 月 15 日，设备。 DOI： 10.1016/j.device.2024.100399