Forskere tester verdens første solbrændselsreaktor for natten

Internationale solvarmeforskere har med succes testet CONTISOL, en solreaktor, der kører på luft, i stand til at fremstille ethvert solbrændstof som brint og til at køre dag eller nat - fordi det bruger koncentreret solenergi (CSP), som kan omfatte termisk energilagring.

Løftet om solbrændstoffer er, at vi kunne have kulstoffri brændstoffer som brint uden de klimaskadelige kulstofemissioner, det kræver at lave brint fra naturgas i dag, så perfektion af solreaktorer er nøglen til en fremtid med 100 % ren energi.

I stedet for at brænde et fossilt brændstof for den varme, der er nødvendig for at drive den termiske kemiske proces, til kemiske reaktioner som spaltning af H2 (brint) fra H2O, forskere har testet forskellige slags reaktorer opvarmet af den termiske form for sol, CSP, som bruger spejle til at koncentrere solflux på en modtager.

For at opnå kulstoffri varme til termokemiske reaktioner - som kan fungere ved temperaturer så høje som 1, 500 C - eksperter betragter den direkte varme fra CSP som en mere effektiv ren energikilde end elektricitet fra PV eller vind.

Der vil være en ubegrænset forsyning af sollys gennem århundreder, og ingen klimakonsekvenser, når termokemi drives af solenergi. Den eneste ulempe sammenlignet med afbrænding af fossil energi, er, at solen går ned om natten.

Natsol

Nu, en gruppe forskere ved German Aerospace Center (DLR) understøttet af Aerosol and Particle Technology Laboratory i CPERI/CERTH Grækenland har bygget og testet et nyt solreaktordesign, der inkluderer opbevaring, så det kan levere varme døgnet rundt som den nuværende fossilfyret metode, men uden emissioner.

Deres papir, Fremstilling og test af CONTISOL:En ny modtager-reaktor til dag- og natsolar termokemi blev offentliggjort i december 2017, på Anvendt termisk teknik .

"Solreaktorer har tidligere haft problemet med, hvad du laver om natten, når du ikke har sol, eller endda når skyer går forbi, " sagde avisens hovedforfatter, Justin Lapp, tidligere i DLR, og nu adjunkt i maskinteknik ved University of Maine.

Lapp forklarede, at når temperaturen falder, reaktionen skal muligvis standses eller strømningshastigheden af ​​reaktanterne sænkes, reducere mængden af ​​produkter, du får ud. Hvis reaktoren lukker ned om natten, køler den af, ikke bare spild af restvarme, men starter forfra fra ingenting næste morgen.

Hvordan det virker

"Så hovedideen med CONTISOL var at bygge to reaktorer sammen, " sagde han. "En, hvor sollys direkte udfører kemisk behandling. Den anden side til lagring af energi. I de kemiske kanaler driver de høje temperaturer i materialet den kemiske reaktion, og du får en ændring fra reaktanter til produkter inden for disse kanaler, og i luftkanalerne går køligere luft ind foran, og varmere luft kommer ud bagved."

Ved at kombinere lagringskapaciteter med en direkte termokemisk solreaktor, de får det bedste fra begge verdener, stabile temperaturer døgnet rundt, men også den mest effektive varmekilde til at udføre reaktioner, fordi den er direkte, så "du har ikke så mange tab med flere trin mellem sollys og den kemi, der sker."

CONTISOL bruger en friluftsmodtager, baseret på den volumetriske luftmodtager, der drives af dens soltårn i Julich ved DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), som kan opvarme luft til 1, 100 C. Der tager en friluftsmodtager luft fra atmosfæren og trækker den gennem små kanaler i et monolitisk materiale.

"Vores er en volumetrisk luftmodtager som denne, " sagde Lapp. "Midden er en ekstruderet monolit; en stor cylinder med mange mindre rektangelkanaler. Hver anden række af kanaler bruges til kemi eller til at lede luft gennem monolitten. Disse kanaler er åbne foran, så sollys kan komme ind og opvarme dette monolitiske materiale. "

Den originale test brugte siliciumcarbid til flerkanalsmodtageren, men forskerne planlægger at prøve Inconel, en hårdere metallegering til modtageren.

"Siliciumcarbid er lidt svært at fremstille, fordi det ikke kan bearbejdes så godt som et metal. Så det kan være svært at få meget snævre tolerancer. Det er ikke for dyrt, men det er ikke det nemmeste materiale at arbejde med i fremstillingen, " fortalte han.

Temperaturer mellem 800-900 C er nødvendige for at omarrangere vand- eller kulbrintemolekyler til de fleste solbrændstoffer, så det var temperaturmålet. Prototypereaktoren fungerede med succes ved 850 C i laboratorieskala:5kW.

CONTISOL blev testet i Köln, Tyskland ved hjælp af simulerede 'sole', snarere end et egentligt solfelt, og lager- og varmeveksleren blev også simuleret, da reaktoren selv er innovationen.

"Denne vægt er en videnskabelig prototype, blot for at vi skal forstå, hvordan vi styrer den. Den ville ikke blive kommercialiseret til 5 kW, sagde han. Kommercielt, 1-5 MW ville være omkring det mindste for reaktorer i industriel skala, og de kunne skalere til 100 MW eller endnu større. "

"I vores tilfælde laver vi metanreformer som et eksempel. Men det er ikke bundet til metan, det kunne lave et hvilket som helst antal solbrændstoffer. En interessant er hydrogenproduktion fra svovlsyre som et cykelmateriale. Når du fordamper svovlsyre ved ca. 400 C til damp og SO3, det er ikke ætsende, så du endda kan bruge komponenter i rustfrit stål."

Hvorfor luft som varmeoverførselsmedium?

Overførsel af varmen i luften åbner muligheder for højeffektive lagringssystemer som termokemisk lagring eller latent varmelagring i kobber eller kobberlegeringer, der smelter mellem 900 - 1100 C.

Fordelene ved luft er, at den er tilgængelig, frit tilgængeligt og rigeligt. Luft er ikke ætsende, og eventuelle lækager ville være uden betydning, så det behøver ikke at være indeholdt i et lukket kredsløb, forklarede han.

"Den kan trække luft ind lige ud af atmosfæren og derefter køre den gennem varmeveksleren for at lagre varmen. Og så kan den lufte den luft ud, når den er kølig."

Med andre varmeoverførselsmaterialer, "Du skal sikre, at systemet er forseglet overalt, og hvis du mister nogle, skal du købe mere for at gøre det op. Med luft har du ikke det problem."

I modsætning til mange varmeoverførselsmedier, som kan ændre deres molekylære struktur ved høje temperaturer, luften forbliver stabil ved høje temperaturer.

Imidlertid, en luftmodtager ser ud til at udelukke kemiske reaktioner ved hjælp af væsker som vand. Ikke så, sagde Lapp.

"Der er meget få væsker, der forbliver flydende i intervallet 600 til 800 grader, som vi er interesserede i, " forklarede han. "De fleste af de kemiske reaktioner, vi beskæftiger os med, er enten med gasser som metan eller med faste materialer som metaloxidreaktioner.

Selv spaltning af vand udføres ved så høj en temperatur, at vand ikke er flydende, men damp.

"Vand, der allerede kommer ind som damp, gør det meget nemmere at designe modtageren. Du har ikke problemer med dampudvidelse, mens den koger. Det er lettere at holde den tæt til damp end væske, " sagde han. Så til klar vand til spaltning, det ville først blive kogt til damp lige i tårnet.

"I disse højtemperatursolreaktorer, midtpunktet på tårnet, hvor alle spejle fokuserer bedst til kemi ved høj temperatur. Vi får meget høj flux i centret for at komme til 600 - 800 C. Men der er altid en masse spildt stråling udenfor; der er stadig nok lys til at varme op til 200 - 300 C, ikke nok til kemi, men rigeligt til at fordampe vand til damp, "Påpegede Lapp.

De tidligste termokemiske reaktorer var nukleare

Forskning i brug af reaktorer til at udføre termokemi stammer fra 60'erne med atomkraft, men blev opgivet, da forskerne ikke var i stand til at få nukleare reaktioner til at nå de nødvendige temperaturer. Meget få atomreaktordesigner var i stand til at nå 800 C.

Men for nylig, solreaktorer har taget denne forskning op i termokemi, baseret på solvarme frem for nuklear. De når allerede temperaturer mellem 800 C og 1500 C på pilotskalaen, ved brug af stærkt koncentreret sollys.

Solreaktorer inkluderer ikke den store kraftblok på et CSP -anlæg, som er et fuldt termisk kraftværk, der producerer elektricitet (undtagen med varme leveret af solen). Solreaktorer behøver ikke den store turbine eller generator til at lave elektricitet, men kun består af et tårn, et solfelt, en modtager og reaktionskammeret. Til dette, CONTISOL tilføjer et lagersystem, overføre varmen fra luften til varmeveksleren.

For at producere brint f.eks. En solreaktor af CONTISOL-typen vil omfatte et solfelt af heliostater (spejle), et tårn, en luftbeholder og varmelageret. Spejlene ville reflektere sollys ind i luftmodtageren; opvarmning af luft i to sæt små kamre, der leder luft til enten reaktionskammeret for termokemi reaktion, eller til varmelageret.

Brinten kunne så bruges i flere reaktioner - hvis du havde opbevaret det for at holde det varmt natten over - eller du ville røre det ud fra reaktionskammeret i tårnet for at blive komprimeret, fylde en tank, og kør den af.