Onderzoekers hebben een nieuw dynamisch model gebouwd dat laat zien hoe waterstof geproduceerd met geconcentreerde thermische zonne-energie meer continu kan worden gemaakt door middel van een nieuwe seizoensgebonden controlestrategie met ceria (CeO ₂ ) deeltjes die het effect van variatie in zonnestraling bufferen.

Een krant, "Dynamisch model van een continue waterstofproductie-installatie op basis van CeO ₂ Thermochemische cyclus, " gepresenteerd op de jaarlijkse conferentie van SolarPACES2017, stelt voor om ceria-deeltjes niet alleen te gebruiken als redoxreagens bij de productie van waterstof, maar ook voor warmteopslag en warmteoverdracht media (of medium) om de temperaturen te regelen.

Waterstof kan worden geproduceerd door water te splitsen (H ₂ O in H ₂ en zuurstof) bij zeer hoge temperaturen met behulp van geconcentreerde thermische zonne-energie (CST) - het vermijden van het huidige gebruik van fossiele brandstoffen voor de productie van waterstof. Met behulp van spiegels die gericht zonlicht op een ontvanger reflecteren, CST kan zeer hoge temperaturen genereren voor thermochemische processen in een zonnereactor, tot 2, 000°C, en kan zonne-energie thermisch opslaan, zodat het de energie kan verzenden wanneer dat nodig is.

De meeste industriële processen vereisen continue omstandigheden om de eindproducten op een specifieke samenstelling te kunnen sturen en de werking met een zo hoog mogelijk rendement te optimaliseren. Commerciële opslagmedia voor thermische energie zoals gesmolten zouten zijn beperkt tot temperaturen onder 600 ° C, dus ze zijn niet geschikt voor processen bij hoge temperaturen zoals thermochemische waterstofproductie op zonne-energie. Maar ceria (CeO ₂ ), die al in een zonnereactor bij zeer hoge temperatuur wordt gebruikt om waterstof te produceren, kan worden gebruikt als thermische opslagmedia naast dat het een reactant is.

Onderzoekers Alicia Bayon en Alberto de la Calle van de Australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) hebben een dynamisch model gemaakt dat het hele jaar door waterstofproductie met ceria toont. Ze modelleren een manier om de energie op te slaan in ceriumoxidedeeltjes, aanpassen voor dagelijkse variatie in zonnestraling met seizoensgebonden controles, om een ​​continue stroom waterstof te produceren.

"Er zijn andere onderzoekers die ook een reactor van ceria-deeltjes hebben voorgesteld, " zei Bayon, de co-auteur van het artikel. "Onze belangrijkste bijdrage is dat we een dynamisch model van alle componenten hebben ontwikkeld om te bewijzen dat dit systeem kan werken onder echte zonneomstandigheden."

"In ons werk we hebben een dynamisch model ontwikkeld om te reproduceren hoe verschillende componenten kunnen werken in echte zonneomstandigheden. We moesten corrigeren voor het effect van de variatie in de zonnebron dagelijks en over het jaar. We hebben ook een systeemconfiguratie en een regelstrategie voorgesteld om een ​​continue stroom waterstof te produceren."

"We denken dat als een systeem in de toekomst zo kan worden ontwikkeld, de werkelijke efficiëntie van het proces zelf erg hoog kan zijn in vergelijking met de efficiëntie die mensen nu zien met vastbedreactoren, van 5,25%."

Bayon en de la Calle stellen een nieuw fabrieksontwerp voor voor continue waterstofproductie met behulp van ceria in deeltjes

Een van de manieren om thermochemische waterstof op zonne-energie te maken, is in een tweestaps redoxproces dat water splitst in waterstof (H ₂ O in H ₂ .) Dit proces maakt gebruik van ceria (CeO ₂ ) als redoxmateriaal en is experimenteel getest in een 'vast bed' als vast onbeweeglijk poreus schuim in de reactor, met de gassen die er doorheen zijn gegaan om de reactie uit te voeren.

De uitdaging van de operatie met een vast bed is om de waterstofproductie constant te houden en ervoor te zorgen dat de temperatuur verandert na voltooiing van de afzonderlijke processtappen. "Als je de reactoren en de tanks elke dag moet koelen en opwarmen, zul je daar ook energie aan moeten besteden, waardoor je efficiëntie afneemt. ' zei Bayon.

Eerder onderzoek was gericht op het beheersen van het gereflecteerde zonlicht door op de een of andere manier het licht van de heliostaten te moduleren wanneer er "te veel" zonnestraling is die de temperatuurbehoeften van de eerste stap van ongeveer 1500 ° C overschrijdt. En ook in dit model gedeeltelijke heliostaat-defocus helpt ook voorkomen dat de temperatuur in de ontvanger/reactor te hoog wordt. Maar dat betekent in wezen het weggooien van bruikbare energie.

In plaats daarvan, ze modelleren het beheersen van dagelijkse en seizoensvariaties in zonne-energie gedurende het jaar, door ceria niet alleen als reactant te gebruiken, maar ook als medium voor warmteoverdracht en warmteopslag, in deeltjesvorm. Het regelen van de stroomsnelheid van de ceria-deeltjes helpt om de warmte te beheersen die wordt geabsorbeerd in de thermochemische zonnereactor, voor meer efficiëntie.

Bayon legde uit waarom. "In een vast bed is de hoeveelheid ceria altijd hetzelfde, het ceria-schuim kan eenmaal per dag worden 'geactiveerd'. Zodra de ceria actief is voor de waterstofproductie, de heliostaten moeten onscherp worden gemaakt om de watersplitsingsreactie uit te voeren. In plaats daarvan, we gebruikten ceriumdioxide als een vaste stof in deeltjes, als een poeder of zand, zodat de deeltjes worden verwarmd bij de ontvanger, warm opgeslagen en indien nodig gebruikt voor de productie van waterstof. Ze worden ook door het systeem gerecirculeerd en de stroom van deeltjes stopt nooit. Zo kunnen we de deeltjes blijven opwarmen, de maximale hoeveelheid beschikbare zonne-energie bij de ontvanger opnemen, bewaar ze in een tank en later, gebruik ze in de redoxreactie om waterstof te produceren. Op deze manier, ceria-deeltjes gebruiken zonne-energie efficiënter."

Hoe het werkt

Bayon en de la Calle modelleren een proces dat ceria-deeltjes zou gebruiken, stroomt door de te verwarmen ontvanger, op tanks waar de massa zandachtige deeltjes kan worden opgeslagen, en vervolgens naar deeltjestransporteurs gestuurd die de stroomsnelheid regelen en zo de temperaturen regelen bij de reactoren van stap één en stap twee. Er wordt een continue stasis bereikt.

"Vanuit de ene tank gaat de ceria naar de eerste reactor en vervolgens naar de andere tank. Wanneer tank één niveau daalt, tank twee niveauverhogingen, dus in de loop van het jaar – en elke dag – gaat het op en neer, afhankelijk van hoeveel we de ontvanger en de oxidator bedienen, " ze legde uit.

"Het is waarschijnlijk een van de grootste technische uitdagingen, omdat we de deeltjes bij hoge temperaturen moeten transporteren, en we moeten het systeem ook zuurstofvrij houden."

Wanneer de deeltjes in de tweede reactor komen voor de oxidatiestap, die exotherm is (het geeft warmte af) ze zijn nog steeds erg heet, vanwege thermische traagheid.

“Dus willen we geen energie in de oxidatorreactor stoppen omdat onze efficiëntie zal afnemen. In de oxidator, we moeten een compromis sluiten tussen werken bij constante temperatuur en efficiënt zijn. We gebruiken de oxidator op een lagere temperatuur dan de ontvanger. Dus als het mogelijk is, we gebruiken geen andere energiebron dan de reactiewarmte en de voelbare warmte die is opgeslagen in de ceriumoxidedeeltjes. Het gebruik van extra energie leidt tot energieverliezen; de efficiëntie van het proces zal afnemen, " merkte ze op.

"Het heeft een koelregelaar omdat we de temperatuur bij de oxidator constant willen houden, wat ook helpt om de waterstofproductiesnelheid constant te houden. we moeten ook de stroomsnelheid van ceria-deeltjes in de oxidatiereactor regelen, wat een extra uitdaging met zich meebrengt. We werken momenteel aan een nieuwe regelstrategie om te proberen variaties van minder dan 20% op de waterstofproductie gedurende een jaar te behouden."

Het modelleren van geavanceerde technologieën is een uitdaging

Onlangs hebben deeltjesontvangers onderzoeksaandacht gekregen vanwege de potentiële efficiëntievoordelen.

Maar op deeltjes gebaseerde thermochemische verwerking op zonne-energie staat aan de top van onderzoek naar zonnebrandstof. een uitdaging creëren. Een model moet gebaseerd zijn op het echte leven, zei Bayon. "De belangrijkste uitdaging waar je voor staat is om aan te tonen dat je model de werkelijkheid weergeeft. Voor mij is een model onrealistisch, dan is het niet bruikbaar."

"Het was best moeilijk om het echt realistisch te maken, omdat je experimentele gegevens nodig hebt om het model te valideren. Sommige modellen konden worden gevalideerd, maar andere niet, omdat we op deze schaal geen experimentele faciliteiten hebben, " ze zei.

"Ervan uitgaande dat u alle fysische en chemische verschijnselen kent die bij de processen betrokken zijn, de grootste uitdaging is dat je ook het echte gedrag van de apparatuur zelf moet reproduceren. Dit is een van de moeilijkste dingen bij het ontwikkelen van een model. Vooral bij de productie van thermochemische waterstof op zonne-energie, omdat er nog geen commerciële fabrieken zijn ontwikkeld."

Toch zijn het theoretische modellen als deze die de noodzakelijke voorlopers van experimenten zijn.