从冰到氢：一种实现去中心化绿色能源自给自足的循环系统

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Ice to hydrogen: A self-sustaining cycle for decentralized green energy

通过冰Ih的质子传导特性实现自主氢气生产的封闭循环系统，突破传统制氢依赖化石能源、贵金属催化剂及连续电力输入的限制。系统基于冰Ih的固有质子导电性，创新性提出HPIIIh技术，在绝热条件下通过质子-电子复合直接提取氢气，无需外部电极或电解液。实验证实系统能量平衡优化后效率达53.2%，单立方米冰可实现691.5-2516.8 kWh能量输出，并通过动态稳定性分析验证自持运行机制。该技术为极地、太空及偏远地区提供分布式清洁氢能解决方案，显著降低部署成本与维护难度。

　　

李红雅|李元

未来基于冰的氢能与韧性环境研究实验室（X-Here Trek Laboratory，正在建立中），美国纽约州霍华德海滩，邮编11414

摘要

本文介绍并验证了自再生可持续冰-氢-水（SReSIHW）循环技术，这是一种颠覆性的分散式氢生产方法。我们建立了一个闭环系统的可行性，该系统利用水冰（I_h）的固有特性，在绝热条件下自发地在氢燃料和水前体之间循环，并保持氢质量的守恒。核心创新在于“通过不完美冰I_h生产氢”（HPIII_h）技术，该技术可以直接从固态中提取质子，无需外部电极、持续的能量输入、液态电解质或稀缺的催化剂。我们的研究结果展示了三个关键点：（1）在现实约束条件下实现了净正能量输出（每个循环产生691.5–2516.8千瓦时的能量，系统净效率为53.2% ± 4.9%，使用1立方米的冰）；（2）通过Hopf分岔框架动态验证了自发的启动和稳定的自我维持运行；（3）为低温环境制定了韧性部署方案。初步的技术经济分析表明，与现有方法相比，SReSIHW系统在偏远地区的运行可用性和资本成本更低。通过将丰富的冰资源转化为分布式氢基础设施，这项技术特别有助于偏远和发展中社区的能源独立。因此，SReSIHW循环代表了向韧性、完全分散式和环境负责任的氢经济迈出的基础性一步。

引言

能源是行星活力和文明进步的基本支柱。全球对可持续未来的追求迫切需要转向丰富、绿色和可再生的能源。氢作为一种主要的脱碳途径，由于其高能量密度和零碳燃烧特性，在电力、交通、供暖和工业领域具有革命性的潜力[1]。然而，其作为清洁能源载体的广泛应用仍受到传统生产方法的限制。主流方法（如蒸汽甲烷重整（SMR）和电解）存在成本高昂、依赖化石能源输入、使用稀缺贵金属催化剂（如Pt、Ir）以及SMR产生的大量碳排放等问题[2]。这些限制严重影响了氢能在大规模应用中的环境和经济可行性。尽管最近的研究探索了替代方法，如减轻发酵中的生物抑制剂[3]、优化太阳能热化学循环[4]、减少基础设施上的冰沉积[5]以及规划统一的能源网络[6,7]，但这些方法往往涉及工艺敏感性、复杂的工程要求或对集中式基础设施的依赖。因此，仍需要一种简单、自主和分散式的发电技术。为了解决这一问题，我们提出了一种利用六角形水冰（Ice I_h）固有的增强质子（H⁺）导电性的新方法[8]。这一特性使得可以直接通过质子-电子重组提取氢气。我们的创新过程“通过不完美冰I_h生产氢”（HPIII_h）[9]，可能消除了对外部电极、液态电解质、持续能量输入和稀缺催化剂的需求。在此基础上，我们提出了一个完全集成的闭环系统：自再生可持续冰-氢-水（SReSIHW）循环[9,10]。其自主运行基于三个相互强化的原则：1）通过相变（冰 ? 蒸汽 ? 水）严格保持质量守恒，保留所有氢原子；2）通过最小激活后的内部多余能量回收确保能量自主性，实现近乎绝热的运行（见[8]中的图3）；3）通过化学计量的H₂/O₂平衡确保燃烧可靠性，唯一排放物为纯水。一旦激活，SReSIHW循环就能以最少的初始冰和能量实现连续、分散式的氢生产[8,9]，完全绕过了对电网和复杂基础设施的依赖[6,7]。这项技术有可能改变整个氢价值链，为偏远、欠发达和寒冷地区的社区提供能源独立性，并通过就地资源利用实现外星定居。应用范围广泛，包括以氢为中心的热系统、太空中的自给自足的生命支持与推进系统、自带废热回收的医疗设备，以及用于灾害响应的多功能移动/便携式能源解决方案。为此，本文制定了基于HPIII_h的SReSIHW循环实现无限能源供应的战略路线图。我们建立了其热力学、动力学和系统层面的基础，以实现自发的、近乎无限期的运行，克服了可扩展性和低温韧性方面的关键障碍，为全球能源独立打开了一条真正绿色的氢能之路。

冰的基本性质：质子传导和能量收集机制

在SReSIHW循环中，冰超越了作为被动原料的角色，成为一种动态的能量传递介质。本节综合了关于冰的电学和能量转换特性的基础研究和最新进展，为我们的自主氢生产方法提供了科学依据。

SReSIHW循环的类绝热能量动态

SReSIHW循环通过精心设计的闭环热力学过程实现能量自主性，如图2所示。循环由一个热电激活信号启动，从一立方米六角形冰（918公斤H₂O，原始冰质量为m_i，步骤i）中释放出大约3.46–8.72 × 10⁴摩尔质子（H⁺）[10]。这些质子随后通过HPIII_h过程用于氢生产，第一阶段的转化效率约为0.339–0.855[

氢质量守恒：实现可持续循环

SReSIHW循环的持久潜力本质上得益于氢质量守恒原则。该闭环系统在最小的启动能量输入（1.92–4.48电子伏特）后可以持续运行[8]，通过自我持续的过程严格保持其原料的完整性。可持续性是通过同步、顺序处理离散冰样本来实现的（见图3）。

案例研究：SReSIHW系统在电动汽车和家庭中的应用

为了展示SReSIHW系统的实际可扩展性，进行了一项案例研究，以确定满足典型电动汽车（EV）年能源需求所需的物理尺寸。分析基于以下参数：平均电动汽车能耗为195瓦时/公里[74]，年均行驶距离为21,721公里[75]。这些数据得出年总能源需求为4,235.6千瓦时（E_annual）。这些能源必须通过SReSIHW系统提供

技术经济和实施分析

实证证据证明了SReSIHW系统的经济可行性和技术稳健性，突显了其相对于传统氢生产方法的突破性潜力。

结论

本研究通过三个关键贡献证明了自再生可持续冰-氢-水（SReSIHW）循环的可行性：（1）在现实约束条件下的优化能量平衡；（2）动态分析显示无需外部驱动因素即可自发启动和自我维持运行；（3）为极端环境制定了部署方案。初步的技术经济分析表明，SReSIHW系统的资本成本更低

CRediT作者贡献声明

李红雅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念化。李元：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助。李元感谢曹芙在建立X-Here Trek实验室方面的关键作用，该实验室是通过自筹资金启动的。作者还感谢两位匿名审稿人的建设性意见，这些意见显著改进了本文的质量。