南极的能源与电力来源多来自柴油发电机,毕竟比起太阳能、风力发电,对于这天寒地冻的白色大陆来说,发电机是更加稳定与高效的电力来源,不过现在德国科学家发现太阳能制氢也是颇具竞争力的候选者,有望减少引擎发电机排放空气污染物、以及油污污染的风险。
太阳能与风力发电为间歇性能源,没有阳光或是风力时,自然就无电可发,其中进入永夜的黑暗南极,太阳能用处更是大打折扣,而风力发电建置期长、南极适合施工的时段又短,好比目前南极容量最大的罗斯岛风力发电场,由于当地适合开工的时间只有每年 11 月到隔年 2 月,建置期长达两年。
因此若要善用这先得来不易、堪称奇迹的发电来源,好好利用再生能源发出的每一度电,这样也能降低南极洲对化石能源的依赖,减少石油外泄污染危机。如今德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究中心(HZB)、乌尔姆大学(Ulm University)、海德堡大学(Heidelberg University)则找出解方——将太阳能转换成氢气。
如此一来,太阳能制氢便有望取代柴油等化石燃料,海德堡大学环境物理学家 Kira Rehfeld 表示,夏季时南极进入永昼期,太阳辐射实际上可以用来供应研究设施的能源,然而这些地区的发电机、引擎与暖气都是由化石燃料驱动,石油、汽油则由船只运送而来。
这些化石燃料除了是全球暖化元凶之一,也会为研究机构带来高昂的成本,且南极生态系统敏感,纵使是小小的油污外泄,也会冲击当地环境。因此团队认为,在夏天时可以用太阳能电力,电解水制氢为当地生产无污染的氢能。
团队尝试两个不同方法,一种较为传统,太阳能板与电解槽两个分开装置,另一种则是较新的热耦合设置(thermally coupled),太阳能模组与电解槽外壁紧密贴合,这样一来太阳能板发电产生的废热,就可以提高电解水制氢的效率,且这种方法适用于任何天寒地冻的地方,包括阿拉斯加、加拿大又或是高山地区。
不过团队想当然不会在南极实际测试研究,他们为了模拟南极的极冷条件,用冷冻柜进行实验。他们在冷冻柜门上开了一个洞,并安装石英窗,接下来模拟阳光照射,团队也在电解设备中,添加 30% 硫酸,这种以电池酸闻名的液体,冰点为摄氏零下 35 度、导电性能也非常好。
研究指出,热耦合电解设备能生产更多的氢气,因为太阳能模组产生的废热会直接扩散到电解槽。HZB 研究人员 Moritz Kölbach 表示,我们还可以在电解槽加装热绝缘设备,再提高效率。实验指出,在实验期间,电解液温度从摄氏零下 20 度攀升到摄氏 13.5 度。
显然新方法能带能更高的效率,但是这种方法能比柴油发电机更有经济效益吗?这也不好说,团队也打算实际到当地测试原型设备,目前也正在寻找合作伙伴。
太阳能制氢是种替代化石燃料设备的候选者,同时也能降低环境污染与减排作用,若团队证明其可行性,也可以将该系统套用到阿尔卑斯山、加拿大与阿拉斯加、安地斯山脉等极端寒冷、人烟稀少的地方,团队对此也颇有信心,认为就如同 60 年前太阳能开始为太空设备供电,或许这个方法也行得通。
- Solar hydrogen for Antarctica – study shows advantages of thermally coupled approach
(图片来源:HZB)