Internationale onderzoekers van thermische zonne-energie hebben CONTISOL met succes getest, een zonnereactor die op lucht draait, in staat om elke zonnebrandstof zoals waterstof te maken en dag en nacht te werken - omdat het gebruik maakt van geconcentreerde zonne-energie (CSP) die thermische energieopslag kan omvatten.

De belofte van zonnebrandstoffen is dat we koolstofvrije brandstoffen zoals waterstof zouden kunnen hebben zonder de klimaatschadelijke koolstofemissies die nodig zijn om tegenwoordig waterstof uit aardgas te maken, dus het perfectioneren van zonnereactoren is de sleutel tot een toekomst van 100% schone energie.

In plaats van een fossiele brandstof te verbranden voor de warmte die nodig is om het thermische chemieproces aan te drijven, voor chemische reacties zoals het splitsen van H2 (waterstof) uit H2O, wetenschappers hebben verschillende soorten reactoren getest die worden verwarmd door de thermische vorm van zonne-energie, CSP, die spiegels gebruikt om de zonnestroom op een ontvanger te concentreren.

Om koolstofvrije warmte te verkrijgen voor thermochemische reacties - die kunnen werken bij temperaturen zo hoog als 1, 500 C - experts zien de directe warmte van CSP als een efficiëntere schone energiebron dan elektriciteit uit PV of wind.

Er zal door de eeuwen heen een onbeperkte hoeveelheid zonlicht zijn, en geen klimaatgevolgen wanneer thermochemie wordt aangedreven door zonne-energie. Het enige nadeel ten opzichte van het verbranden van fossiele energie, is dat de zon 's nachts ondergaat.

Nacht zonne-

Nutsvoorzieningen, een groep wetenschappers van het German Aerospace Centre (DLR), ondersteund door het Aerosol and Particle Technology Laboratory van CPERI/CERTH Griekenland, heeft een nieuw ontwerp van een zonnereactor gebouwd en getest met opslag, zodat het 24 uur per dag warmte kan leveren zoals de huidige fossiel gestookte methode, maar zonder de uitstoot.

hun papier, Fabricage en testen van CONTISOL:in december 2017 werd een nieuwe ontvanger-reactor voor dag- en nachtthermochemie op zonne-energie gepubliceerd, Bij Toegepaste thermische techniek .

"Zonnereactoren hadden in het verleden het probleem van wat je 's nachts doet als je geen zon hebt, of zelfs wanneer wolken voorbij gaan, " zei de hoofdauteur van de krant, Justin Lap, voorheen van DLR, en nu assistent-hoogleraar Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Maine.

Lapp legde uit dat wanneer de temperatuur daalt, de reactie moet mogelijk worden stopgezet of de stroomsnelheid van de reactanten moet worden vertraagd, het verminderen van de hoeveelheid producten die u uitgeeft. Als de reactor 's nachts stilvalt, koelt hij af, niet alleen restwarmte verspillen, maar de volgende ochtend helemaal opnieuw beginnen.

Hoe het werkt

"Dus het belangrijkste idee van CONTISOL was om twee reactoren samen te bouwen, " zei hij. "Een waar zonlicht direct chemische bewerkingen uitvoert. De andere kant voor het opslaan van energie. In de chemische kanalen sturen de hoge temperaturen van het materiaal de chemische reactie aan en krijg je een verandering van reactanten naar producten binnen die kanalen, en in de luchtkanalen gaat koelere lucht aan de voorkant en hetere lucht komt uit de achterkant."

Door opslagmogelijkheden te combineren met een directe thermochemische zonnereactor, ze krijgen het beste van twee werelden, stabiele temperaturen de klok rond, maar ook de meest efficiënte warmtebron om reacties uit te voeren omdat het direct, dus "je hebt niet zoveel verliezen met meerdere stappen tussen het zonlicht en de chemie die plaatsvindt."

CONTISOL gebruikt een open lucht ontvanger, gebaseerd op de volumetrische luchtketel die in zijn test-zonnetoren in Julich door DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) werd gebruikt, die lucht kan verwarmen tot 1, 100 C. Daar haalt een openluchtontvanger lucht uit de atmosfeer en trekt deze door kleine kanaaltjes in een monolithisch materiaal.

"De onze is een volumetrische luchtontvanger zoals deze, ' zei Lapp. 'Het midden is een geëxtrudeerde monoliet; een grote cilinder met veel kleinere rechthoekige kanalen. Elke andere rij kanalen wordt gebruikt voor chemie of om lucht door de monoliet te leiden. Deze kanalen zijn aan de voorkant open om zonlicht door te laten en dit monolithische materiaal op te warmen."

De originele test gebruikte siliciumcarbide voor de meerkanaalsontvanger, maar de wetenschappers zijn van plan om Inconel te proberen, een hardere metaallegering voor de ontvanger.

"Siliciumcarbide is een beetje moeilijk te vervaardigen omdat het niet zo goed bewerkt kan worden als een metaal. Het kan dus moeilijk zijn om zeer krappe toleranties te krijgen. Het is niet te duur, maar het is niet het gemakkelijkste materiaal om mee te werken in de productie, " vertelde hij.

Temperaturen tussen 800-900 C zijn nodig om water- of koolwaterstofmoleculen te herschikken in de meeste zonnebrandstoffen, dus dat was het temperatuurdoel. De prototypereactor werkte met succes bij 850 C op laboratoriumschaal:5 kW.

CONTISOL werd getest in Keulen, Duitsland met behulp van gesimuleerde 'zonnen', in plaats van een echt zonneveld, en de opslag en warmtewisselaar werd ook gesimuleerd, aangezien de reactor zelf de innovatie is.

"Deze weegschaal is een wetenschappelijk prototype zodat we eenvoudig kunnen begrijpen hoe we hem kunnen besturen. Hij zou niet op de markt worden gebracht met 5 kW, "zei hij. "Commercieel, 1-5 MW zou ongeveer de kleinste zijn voor reactoren op industriële schaal, en ze zouden kunnen opschalen tot 100 MW of zelfs groter."

"In ons geval doen we methaanhervorming als voorbeeld. Maar het is niet gebonden aan methaan, het kan een willekeurig aantal zonnebrandstoffen maken. Een interessante is waterstofproductie uit zwavelzuur als cyclisch materiaal. Wanneer je zwavelzuur bij ongeveer 400 C verdampt tot stoom en SO3, het is niet corrosief, dus je kunt zelfs roestvrijstalen onderdelen gebruiken."

Waarom lucht als medium voor warmteoverdracht?

Het overbrengen van de warmte in lucht opent mogelijkheden voor zeer efficiënte opslagsystemen zoals thermochemische opslag of latente warmteopslag in koper of koperlegeringen die smelten tussen 900 - 1100 C.

De voordelen van lucht zijn dat het toegankelijk is, vrij beschikbaar en overvloedig. Lucht is niet corrosief, en eventuele lekken zouden onbelangrijk zijn, dus het hoeft niet in een gesloten lus te zitten, hij legde uit.

"Het kan lucht net uit de atmosfeer naar binnen trekken en het vervolgens door de warmtewisselaar laten lopen om de warmte op te slaan. En dan kan het die lucht naar buiten laten zodra het afgekoeld is."

Met andere materialen voor warmteoverdracht, "je moet ervoor zorgen dat het systeem overal dicht zit en als je wat verliest, moet je meer kopen om het goed te maken. Met lucht heb je dat probleem niet."

In tegenstelling tot veel warmteoverdrachtsmedia, die hun moleculaire structuur kunnen veranderen bij hoge temperaturen, lucht blijft stabiel bij hoge temperaturen.

Echter, een luchtontvanger lijkt chemische reacties met vloeistoffen zoals water uit te sluiten. Niet zo, zei Lap.

"Er zijn maar heel weinig vloeistoffen die vloeibaar blijven in het bereik van 600 tot 800 graden waarin we geïnteresseerd zijn, " legde hij uit. "De meeste chemische reacties waarmee we te maken hebben, zijn ofwel met gassen zoals methaan of met vaste materialen zoals metaaloxidereacties.

Zelfs het splitsen van water gebeurt bij zo'n hoge temperatuur dat water niet vloeibaar is, maar stoom.

"Water dat al binnenkomt als stoom, maakt het een stuk eenvoudiger om de ontvanger te ontwerpen. Je hebt niet de problemen van stoomexpansie tijdens het koken. Het is gemakkelijker om het strak te houden voor stoom dan voor vloeistof, "zei hij. Dus om water klaar te maken om te splijten, het zou eerst in de toren worden gekookt om te stomen.

"In deze hogetemperatuur-zonnereactoren, de middelste plek op de toren waar alle spiegels zich concentreren, is het beste voor chemie bij hoge temperaturen. We krijgen een zeer hoge flux in het centrum om 600 - 800 C te bereiken. Maar er is altijd een hoop verspilde straling aan de buitenkant; er is nog voldoende licht om te verwarmen tot 200 - 300 C, niet genoeg voor scheikunde, maar genoeg om water te verdampen om te stomen, ’ merkte Lap op.

De vroegste thermochemische reactoren waren nucleair

Onderzoek naar het gebruik van reactoren om thermochemie uit te voeren ontstond in de jaren '60 met kernenergie, maar werd verlaten toen onderzoekers niet in staat waren om kernreacties te krijgen om de benodigde temperaturen te bereiken. Zeer weinig ontwerpen van kernreactoren waren in staat om 800 C te bereiken.

Maar meer recentelijk zonnereactoren hebben dit onderzoek naar thermochemie overgenomen, gebaseerd op zonnewarmte in plaats van nucleair. Ze bereiken op pilotschaal al temperaturen tussen 800 C en 1500 C, gebruik van sterk geconcentreerd zonlicht.

Zonnereactoren bevatten niet het grote stroomblok van een CSP-fabriek, dat is een volledige thermische centrale die elektriciteit produceert (behalve met warmte geleverd door de zon). Zonnereactoren hebben de grote turbine of generator niet nodig om elektriciteit te maken, maar bestaan ​​alleen uit een toren, een zonneveld, een ontvanger en de reactiekamer. hieraan, CONTISOL voegt een opbergsysteem toe, het overbrengen van de warmte uit de lucht naar de warmtewisselaar.

Om bijvoorbeeld waterstof te maken, Een zonnereactor van het CONTISOL-type zou bestaan ​​uit een zonneveld van heliostaten (spiegels), een toren, een luchtketel en de warmteopslag. De spiegels zouden zonlicht in de luchtontvanger weerkaatsen; het verwarmen van lucht in twee sets kleine kamers die lucht naar de reactiekamer leiden voor een thermochemische reactie, of naar de warmteopslag.

De waterstof zou dan in meer reacties kunnen worden gebruikt - als je het had opgeslagen om het 's nachts warm te houden - of je zou het uit de reactiekamer in de toren leiden om te worden gecomprimeerd, een tank vullen, en rijd het weg.