《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Solar hybrid sulphur cycle demonstration plant (Part A): Techno-economic assessment of solar thermal plant from the European Union-HySelect project
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混合硫（HyS）循环用于生产氢气（H2），最初由西屋电气公司于1975年提出，近年来因硫酸（H2SO4）行业的脱碳潜力以及循环性（例如废H2SO4的回
混合硫（HyS）循环用于生产氢气（H2），最初由西屋电气公司于1975年提出，近年来因硫酸（H2SO4）行业的脱碳潜力以及循环性（例如废H2SO4的回收）而受到更多关注。该循环包括四个主要过程：（i）H2SO4解离和三氧化硫（SO3）分解，（ii）二氧化硫（SO2）和氧气（O2）分离，（iii）SO2去极化电解（SDE），以及（iv）H2SO4浓缩。在过程（i）中，H2SO4首先在623–673 K下通过自发气相平衡解离为SO3和水蒸气（反应1），随后SO3在973–1273 K下催化分解为SO2和O2（反应2）。相反，过程（iii）将溶解在液态H2SO4（30–70 %）中的SO2送入SDE阳极，在那里SO2氧化为H2SO4（反应3），质子随后通过聚合物膜迁移至阴极，与电子结合生成H2（反应4）。HyS循环是一种结合电化学步骤的混合热化学水分解过程。与生物或纯电化学方法相比，热化学方法因其优越的可扩展性和效率而更受青睐。其中，硫基循环（特别是硫-碘（S-I）和HyS）由于理论能量效率高（约50 %）且运行温度低于1273 K而成为首要候选方案。HyS循环因其低电力需求和简化的两步配置而特别具有吸引力。具体而言，SDE的引入将所需电池电压降至298 K下的?0.158 V，远低于最先进质子交换膜（PEM）水电解的电压（298 K下?1.229 V）。当与可再生能源集成时，HyS循环产生绿色氢气，适用于替代化石燃料。聚光太阳能热（CST）系统因其高热容量（>1273 K）而非常适合H2SO4分解；在这些温度下，通过太阳能光伏（PV）或风能直接电气化往往效率低下。CST与热能储存（TES）的兼容性进一步确保了具有成本效益和可调度的热供应。根据Singh和McGregor提出的分类，第四代CST系统的技术就绪水平（TRLs）为4–8，运行温度高于873 K，聚光比为500–1000以上，是与HyS循环集成的合适候选者。已有若干关于HyS循环的能量需求分析研究，以确定该概念商业化所需的性能水平。Gorensek等人开发了与高温核热源耦合的HyS概念，并显示出热化学过程效率（基于H2低位热值 – LHV）为35–40 %。Guerra-Niehoff等人研究了与聚光太阳能发电（CSP）工厂耦合的HyS概念，发现热化学过程的效率（基于H2 LHV）可接近30 %。Gorensek等人还建立了与落粒式聚光太阳能接收器耦合的HyS循环模型，其模型计算出热化学过程效率和太阳能-to-H2效率分别为35 %和17 %（基于H2 LHV）。在成本分析方面，Corgnale等人评估了商业HyS工厂的氢气平准化成本（LCOH），采用落粒式聚光太阳能接收器作为热源，运行寿命40年，报告LCOH为3.19–4.80 US$/kg。Del Fabbro Arcopinto等人研究了与CST系统耦合的商业HyS工厂的LCOH，运行寿命20年，报告LCOH为6.72 �/kg。Zuleta Marin等人对与智利铜工业集成的太阳能HyS工厂进行了技术经济评估（TEA），用于联产H2和O2。该研究使用熔盐CST系统为H2SO4解离过程提供热量，而电加热器用于SO3分解过程。他们的研究报告基于20年工厂寿命的LCOH为5.74 ± 1.04 �/kg。从国际合作的角度来看，已经开展了几个项目来推进HyS技术。最早的EU-HYTHEC（2004–2007）主要证明了基于核能和太阳能的S-I循环可行性，次要重点是HyS。EU-HycycleS（2008–2011）对核基和太阳能基S-I和HyS工厂中的高温H2SO4分解材料、催化剂和组件进行了鉴定。EU-SOL2HY2（2013–2016）详细分析了太阳能集成HyS循环。EU-Pegasus项目（2016–2021）也旨在推进硫工艺相关技术。尽管太阳能驱动HyS循环具有诸多优势，并且在其开发方面进行了广泛的实验和数值研究，但该概念尚未实现商业化，甚至未达到示范工厂规模。商业化的主要障碍包括HyS循环关键组件（特别是CST集成H2SO4分解反应器和SDE）的技术成熟度不足，以及缺乏反映实际工业运行条件的详细组件级财务数据。因此，EU-HySelect项目（2023–2026）旨在通过建造、测试和分析有史以来第一个太阳能驱动HyS示范工厂，向商业化迈出下一步。与先前的体积式太阳能接收器-反应器不同，该示范工厂采用离心式太阳能粒子接收器（第四代CST系统），其能够使用加热粒子实现更稳定和高温的热传递。本文介绍的工作是EU-HySelect项目的一部分。其主要目标是对HyS示范工厂的太阳能热和热化学子系统进行TEA，解决技术挑战并提供实际财务数据，以将HyS循环从TRL 4–5推进到6–7（以下将该工厂称为HySelect太阳能热-热化学示范工厂）。本研究的创新之处在于首次对太阳能驱动HyS工厂进行示范规模TEA，采用详细的组件级成本计算方法。重要的是，这项研究针对的是实验示范工厂，其具有不可避免的刚性选择，而非优化或成本竞争力设计。研究结果显示，示范工厂的总成本为470万�2025（不确定性范围：340–610万�2025）。太阳能SO2生产的比能量为15.62 MJ/kg（或4.34 kWh/kg）。敏感性分析表明，比能量对SO3转化率、太阳能接收器效率和最大反应温度最为敏感。在关键技术成熟情景下，伪太阳能-to-H2效率可达24.3 %，与最先进技术相比具有竞争力。该项工作为HyS循环的规模化提供了实际的组件级成本数据和性能评估，突出了离心式太阳能粒子接收器和H2SO4分解反应器作为关键优化方向。
论文解读：
**研究背景与问题**
全球氢能经济对低碳制氢技术需求日益迫切。混合硫（HyS）循环作为一种热化学水分解制氢路线，由西屋电气公司于1975年首次提出，通过硫酸（H
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4）解离、三氧化硫（SO
3）分解、二氧化硫（SO
2）去极化电解（SDE）及硫酸浓缩四个步骤实现氢气（H
2）的清洁生产。相较于其他热化学循环，HyS循环具有理论效率高（约50%）、运行温度低于1273 K、电耗低（SDE电压?0.158 V，远低于质子交换膜电解的?1.229 V）等优势。然而，尽管已有大量实验与数值研究，该技术仍停留在实验室或概念阶段，未能实现示范规模甚至商业化应用。主要障碍包括：关键组件（如聚光太阳能热（CST）集成的硫酸分解反应器和SDE电解池）技术成熟度不足，以及缺乏基于实际工业运行条件的组件级财务数据。既有研究多为理想化模型，忽视了工程实际中的能量惩罚与成本约束。因此，欧盟HySelect项目（2023–2026）旨在建造并测试首座太阳能驱动HyS示范工厂，以推动技术就绪水平（TRL）从4–5提升至6–7。本文作为该项目A部分，聚焦于示范工厂中太阳能热-热化学子系统（对应流程块0至3）的稳态能量需求分析与技术经济评估（TEA），提供真实、可复用的组件级成本数据。
**研究内容与结论**
研究人员采用Aspen Plus V14软件对HySelect太阳能热-热化学示范工厂进行稳态流程模拟，该工厂包括集中式太阳能粒子系统（Block 0）、H
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4解离与SO
3分解反应器系统（Block 1）、气体分离系统A（Block 2）和气体分离系统B（Block 3）。基于模拟结果，计算了太阳能SO
2生产的比能量，并与文献值对比；同时评估了“伪太阳能-to-H
2效率”（因H
2生产不在本研究范围内，采用估算值）。成本分析采用自下而上方法，结合设备报价与文献数据，估算固定资本投资与运行维护（O&M）成本。关键结论包括：示范工厂总成本为470万�2025（不确定范围：340–610万�2025），其中直接工厂成本占主导；太阳能SO
2生产的比能量为15.62 MJ/kg（4.34 kWh/kg），高于多数文献值，原因在于实际工程约束（常压操作、最高温度限制1123 K、SO
3转化率取平衡值的75%、采用常规工业设备）带来的能量惩罚；敏感性分析显示，SO
3转化率、太阳能接收器效率和最高反应温度是影响比能量的关键参数，优化后比能量可降至10.15 MJ/kg（2.82 kWh/kg）。该研究的重要性在于首次提供了示范规模的组件级成本数据，为HyS循环以及固硫循环、硫-碘（S-I）循环（均共享H
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4分解步骤）的放大设计提供了参考基准，并明确了CST技术与H
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4分解反应器是未来优化的关键瓶颈。
**关键技术方法**
本研究采用的主要技术方法包括：（1）Aspen Plus V14稳态流程模拟，采用ElecNRTL热力学模型，并在573 K以上以非挥发性络合平衡替代水相解离平衡；（2）基于Que等人模型修正的SO
3-H
2O-H
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4三元体系热力学模型，用于准确预测液-液平衡、汽-液平衡及过量焓；（3）反应器模型验证，利用Agrafiotis等人和Zeng等人的实验数据验证SO
3转化率，利用Chen等人的实验数据验证热功率需求；（4）自下而上的成本估算方法，采用设备安装系数（450%）、化学工程工厂成本指数（CEPCI）缩放公式，并结合供应商报价与文献设备成本数据；（5）敏感性分析，考察接收器效率、SO
3转化率、最高温度、吸收式制冷机COP、蒸汽压缩制冷COP及压缩机等熵效率对性能的影响。样本为位于德国Jülich的DLR太阳能塔设施中的示范工厂设计数据，并考虑现有基础设施（太阳能塔和定日镜场）的利用。
**研究结果**
*5.1 示范工厂成本分析*
基于设备成本明细表，总设备成本为106.2万�2025。采用450%安装系数、10%间接工厂成本系数，以及固定和可变O&M成本计算，得到示范工厂总成本为465.59万�2025。其中直接工厂成本369.4万�，间接工厂成本36.94万�，人员费用25.5万�，维护与维修14.6万�，税费与保险13万�，运输费用5.85万�，电费0.3万�。敏感性分析（设备成本±20%，CEPCI ±10%）给出总成本范围为340–610万�2025。成本分析表明，直接工厂成本占比最高；设备成本中，太阳能粒子加热相关设备最高，其次是塔器系统、两级气体压缩机、13个储气容器、蒸汽压缩制冷系统、5个中型散装容器（储存90 wt% H
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4）、冷却塔、酸气-气换热器和吸收式制冷机。离心式太阳能粒子接收器（含TES）和H
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4分解反应器作为创新组件，占总设备成本显著份额，未来通过规模经济可实现大幅成本降低。垂直粒子输送系统在示范厂中占较大资本比例，但在商业规模下该比例预期下降，因为塔高不随产能成比例增加。
*5.2 太阳能SO
2生产的比能量*
通过公式计算，示范工厂的太阳能SO
2生产比能量为15.62 MJ/kg（4.34 kWh/kg）。与文献比较：高于Guerra-Niehoff等人的25.20 MJ/kg，也高于Gorensek等人的6.34 MJ/kg和Lanchi等人的8.24 MJ/kg。差异归因于本研究未对入口H
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4流进行内部热回收、最高操作温度限制（1123 K）、采用保守的SO
3转化率（平衡值的75%）以及额外的冷却电力需求（蒸汽压缩制冷）。相比之下，Guerra-Niehoff等人的值较低是因为其使用了更高的酸浓度和更高效的接收器。敏感性分析显示，比能量对SO
3转化率最敏感，其次为接收器效率和最高反应温度。当三个关键参数优化（接收器效率90%、SO
3转化率85%、温度1123 K）时，比能量降至10.15 MJ/kg（2.82 kWh/kg），但仍高于理想化文献值，表明内部热回收系统对性能有显著影响。
*5.3 伪太阳能-to-H
2效率*
基准情形下，伪太阳能-to-H
2效率为14.6%（定日镜效率64%）；关键技术成熟情形下为24.3%（定日镜效率70%）。与文献中太阳能热化学循环（S-I、Cu-Cl、二氧化铈两步法）和太阳能电化学路线（SOEL、PEME、AWE）相比，基准情形已具竞争力，关键技术成熟后潜力更大。但需注意，该效率为“伪”值，未包含H
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4浓缩和SDE电耗，不应直接用于严格比较。
**总结讨论**
研究人员在讨论中指出，实际工业约束（常压、温度限制、非平衡转化、常规设备）引入了理想化模型忽略的能量惩罚，导致比能量偏高，但所提方案更贴近工程可实施性。敏感性分析确定的三个优先研究方向为：优化太阳能接收器性能、提高SO
3转化率的催化剂、开发耐高温耐腐蚀材料以支持更高温度下SO
3分解。此外，组件级成本数据（470万�2025）不仅适用于HyS循环，也可用于固硫循环和S-I循环的后续放大研究。未来三项验证里程碑包括：开展HySelect化学-电化学示范工厂（Block 4–6）的TEA；将能量需求分析扩展到瞬态工况（如逐时太阳辐射变化）；利用示范数据将全HyS工厂放大至商业规模并评估LCOH。
**研究结论**
本研究对HySelect太阳能热-热化学示范工厂进行了稳态能量需求与成本分析。利用Aspen Plus建立了包含四个流程块的流程模拟。基于能量分析结果计算了太阳能SO
2生产的比能量，并与文献值对比；同时基于估算的产氢速率评估了伪太阳能-to-H
2效率。成本分析确定了实际实验平台的财务数据。主要发现：（1）示范工厂总成本为470万�2025（不确定范围：340–610万�2025），离心式太阳能粒子接收器和H
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4分解反应器是最具成本降低潜力的组件；（2）太阳能SO
2生产比能量为15.62 MJ/kg（4.34 kWh/kg），高于多数先前研究，源于实际工程约束的能量惩罚；优化关键参数后降至10.15 MJ/kg（2.82 kWh/kg）；（3）尽管伪效率数据受限，基准情形和关键技术成熟情形均与最先进的太阳能热化学和电化学路线具有竞争力。本研究的主要启示是，将实际工业约束纳入模型虽使比能量数值不如理想化文献，但所提出的工厂模型更接近工业实施条件。组件级成本数据可作为HyS、固硫和S-I循环未来放大研究的参考基准，也可用于硫酸行业利用可再生热脱碳的决策。未来组件级研究应优先关注CST技术和H
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4分解反应器，验证催化剂和材料耐久性，提高接收器和TES效率，并开展化学-电化学部分TEA、瞬态分析和商业规模评估。
