Sådan laver du solbrint året rundt

Forskere har opbygget en ny dynamisk model, der viser, hvordan brint produceret med koncentreret solenergi kan fremstilles mere kontinuerligt gennem en ny sæsonbestemt kontrolstrategi med ceria (CeO ₂ ) partikler, der bufferer virkningen af ​​variation i solstråling.

Et papir, "Dynamisk model af et kontinuerligt brintproduktionsanlæg baseret på CeO ₂ Termokemisk cyklus, "præsenteret på SolarPACES2017 årlige konference, foreslår at bruge ceriumpartikler ikke kun som redoxreaktant i brintproduktion, men også til varmelagring og varmeoverførselsmedier (eller medium) til at styre temperaturerne.

Hydrogen kan dannes ved at splitte vand (H ₂ O ind i H. ₂ og ilt) ved meget høje temperaturer ved hjælp af koncentreret solvarme (CST) - undgåelse af nutidens brug af fossile brændstoffer til brintproduktion. Brug af spejle, der reflekterer fokuseret sollys på en modtager, CST kan generere meget høje temperaturer for termokemiske processer i en solreaktor, op til 2, 000 ° C, og kan lagre solenergi termisk, så den kan sende energien, når det er nødvendigt.

De fleste industrielle processer kræver kontinuerlige betingelser for at kunne styre slutprodukterne til en bestemt sammensætning og optimere driften med den højest mulige effektivitet. Kommercielle termiske energilagringsmedier som smeltede salte er begrænset til temperaturer under 600 ° C, så de er ikke velegnede til processer ved høje temperaturer som soltermokemisk brintproduktion. Men ceria (CeO ₂ ), som allerede bruges i en solreaktor ved en meget høj temperatur til at producere brint, kan bruges som termiske lagringsmedier oven på at være en reaktant.

Forskere Alicia Bayon og Alberto de la Calle fra Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) skabte en dynamisk model, der viser hydrogenproduktion året rundt med ceria. De modellerer en måde at lagre energien i ceriumpartikler, justering til daglig variation i solstråling med sæsonbestemt kontrol, at producere en kontinuerlig strøm af brint.

"Der er andre forskere, der også foreslog en reaktor af ceriumpartikler, "sagde Bayon, medforfatter til papiret. "Vores vigtigste bidrag er, at vi sammen udviklede en dynamisk model af alle komponenterne for at bevise, at dette system kan fungere under virkelige solforhold."

"I vores arbejde, vi udviklede en dynamisk model til at gengive, hvordan forskellige komponenter kan fungere under virkelige solforhold. Vi var nødt til at korrigere for effekten af ​​variationen i solressourcen dagligt og i løbet af året. Vi foreslog også en systemkonfiguration og en kontrolstrategi til at producere en kontinuerlig strøm af brint. "

"Vi tror, ​​at hvis et system i fremtiden kan udvikles som dette, kan selve procesens faktiske effektivitet være meget høj i forhold til de effektiviteter, som folk oplever nu med reaktorer med fast seng, 5,25%. "

Bayon og de la Calle foreslår et nyt plantedesign til kontinuerlig brintproduktion ved hjælp af cerium i partikler

En af måderne til fremstilling af soltermokemisk brint er i en to-trins redoxproces, der deler vand til brint (H ₂ O ind i H. ₂ .) Denne proces anvender ceria (CeO ₂ ) som et redoxmateriale og er blevet eksperimentelt testet i et 'fast leje' som et fast urørt porøst skum i reaktoren, med gasserne passeret igennem den for at udføre reaktionen.

Udfordringen ved driften af ​​det faste lag er at holde brintproduktionen konstant og sikre temperaturskift efter afslutning af de enkelte procestrin. "Hvis du skal køle ned og opvarme reaktorerne og tankene hver dag, bliver du også nødt til at bruge energi på at gøre det, så din effektivitet falder, "sagde Bayon.

Tidligere forskning har fokuseret på at kontrollere det reflekterede sollys ved på en eller anden måde at modulere lyset fra heliostaterne, når der er "for meget" solstråling, der overskrider temperaturbehovet i det første trin på omkring 1500 ° C. Og også i denne model, delvis heliostat -defokus hjælper også med at forhindre, at temperaturerne bliver for høje i modtageren/reaktoren. Men det betyder i det væsentlige at smide brugbar energi væk.

I stedet, de modellerer kontrol af daglig og sæsonmæssig variation i solenergi i løbet af året, ved at bruge ceria ikke kun som reaktant, men også som varmeoverførsel og varmelagringsmedium, i partikelform. Kontrol af strømningshastigheden for ceriumpartiklerne hjælper med at kontrollere varmen, der absorberes i den termokemiske solreaktor, for større effektivitet.

Bayon forklarede hvorfor. "I en fast seng er mængden af ​​ceria altid den samme, ceria -skummet kan 'aktiveres' en gang hver dag. Når ceriaen er aktiv til brintproduktionen, heliostaterne skal defokuseres for at udføre vandopdelingsreaktionen. I stedet, vi brugte ceriumdioxid som et fast kemikalie i partikler, som et pulver eller sand, så partiklerne opvarmes ved modtageren, opbevares varmt og bruges til at producere brint, når det er nødvendigt. De recirkuleres også gennem systemet, og strømmen af ​​partikler stopper aldrig. På denne måde kan vi blive ved med at opvarme partiklerne, optager den maksimale mængde tilgængelig solenergi på modtageren, opbevar dem i en tank og senere, bruge dem i redoxreaktionen til at producere brint. På denne måde, ceria -partikler bruger solenergi mere effektivt. "

Hvordan det virker

Bayon og de la Calle model en proces, der ville bruge ceria partikler, strømmer gennem modtageren for at blive opvarmet, videre til tanke, hvor massen af ​​sandlignende partikler kan lagres, og derefter sendt til partikeltransportører, som regulerer strømningshastigheden og dermed styrer temperaturerne i trin et og trin to reaktorer. En kontinuerlig stilstand opnås.

"Fra den ene tank går ceriaen til den første reaktor, derefter går den til den anden tank. Når tanken et niveau falder, tank to niveau stigninger, så i løbet af året - og hver dag - går det op og ned, afhængigt af hvor meget vi betjener modtageren og oxidatoren, "forklarede hun.

"Det er nok en af ​​de største tekniske udfordringer, fordi vi skal transportere partiklerne ved høje temperaturer, og vi skal også holde systemet fri for ilt. "

Når partiklerne kommer til den anden reaktor for oxidationstrinnet, som er eksoterm (det afgiver varme) de er stadig meget varme, på grund af termisk inerti.

"Så vi vil gerne ikke lægge energi i oxidationsreaktoren, fordi vores effektivitet vil falde. I oxidatoren, vi skal indgå et kompromis mellem at arbejde ved konstant temperatur og at være effektiv. Vi driver oxidatoren ved lavere temperatur end modtageren. Så hvis det er muligt, vi bruger ikke nogen yderligere energikilde bortset fra reaktionsvarmen og den fornuftige varme, der er lagret i ceriumpartiklerne. Brug af ekstra energi vil føre til energitab; effektiviteten af ​​processen vil falde, "påpegede hun.

"Den har en køleregulator, fordi vi vil kontrollere temperaturen ved oxidatoren til at være konstant, hvilket også hjælper med at opretholde brintproduktionshastigheden konstant. Men vi har også brug for at kontrollere strømningshastigheden af ​​ceriumpartikler i oxidationsreaktoren, hvilket indebærer en ekstra udfordring. Vi arbejder i øjeblikket på en ny kontrolstrategi for at forsøge at fastholde variationer under 20% på brintproduktionen over et års drift. "

Modellering af banebrydende teknologier er udfordrende

For nylig har partikelmodtagere fået forskningsopmærksomhed på grund af de potentielle effektivitetsfordele.

Men partikelbaseret soltermokemisk behandling er på forkant med forskning i solbrændstof, skabe en udfordring. En model skal være baseret på det virkelige liv, sagde Bayon. "Den største udfordring, du står over for, er at demonstrere, at din model gengiver virkeligheden. For mig, hvis en model er urealistisk, er den ikke nyttig."

"Det var ret svært at gøre det virkelig realistisk, fordi du har brug for eksperimentelle data for at validere modellen. Nogle af modellerne kunne valideres, men andre kunne ikke, fordi vi ikke har eksperimentelle faciliteter i det mindste i denne skala, " hun sagde.

"Forudsat at du kender alle de fysiske og kemiske fænomener, der er involveret i processerne, den største udfordring er, at du også skal gengive selve udstyrets reelle adfærd. Dette er en af ​​de sværeste ting, når du udvikler en model. Især i termokemisk solproduktion med sol, da der endnu ikke er udviklet kommercielle anlæg. "

Alligevel er det teoretiske modeller som dette, der er de nødvendige forløbere for eksperimentering.