At omdanne spildvarme til brintbrændstof

Brint som energibærer kan hjælpe os med at bevæge os væk fra fossile brændstoffer, men kun hvis det er skabt effektivt. En måde at forbedre effektiviteten på er at bruge spildvarme, der er tilovers fra andre industrielle processer.

I juni, Det Internationale Energiagentur bekræftede, hvad de fleste eksperter allerede ved:at verden bør arbejde hårdere for at øge brugen af ​​ren brint som en emissionsfri energikilde.

En af udfordringerne ved at skabe brint, imidlertid, er, at det kræver energi - masser af energi. IEA siger, at det ville kræve 3600 TWh at producere al nutidens brint ved blot at bruge elektricitet. hvilket er mere end der årligt genereres af EU.

Men hvad nu hvis du kunne bruge en eksisterende kilde til spildt energi til at hjælpe med brintproduktion? En ny tilgang udviklet af forskere ved Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet gør præcis dette - ved at bruge spildvarme fra andre industrielle processer.

"Vi har fundet en måde at bruge varme på, som ellers ikke er meget værd, sagde Kjersti Wergeland Krakhella, den første forfatter til en artikel om processen offentliggjort i det akademiske tidsskrift MDPI Energies. "Det er lav kvalitet, lav temperatur varme - men det kan bruges til at lave brint."

En syvendedel af Norges elproduktion

Spildvarme er præcis, hvad det lyder som - varme produceret som et biprodukt af en industriel proces. Alt fra en industrikedel til et affalds-til-energianlæg producerer spildvarme.

Flere gange end ikke, denne overskydende varme skal frigives til miljøet. Energieksperter siger, at spildvarmen fra Norges virksomheder og industrier svarer til 20 TWh energi.

For at sætte dette i perspektiv, Hele Norges vandkraftsystem producerer 140 TWh el om året. Det betyder, at der er meget spildvarme derude, som potentielt kan blive sat i gang.

Membraner og salte

Forskerne brugte en teknik kaldet omvendt elektrodialyse (RØD), som er afhængig af saltopløsninger og to varianter af ionbyttermembraner.

For at forstå, hvad forskerne rent faktisk gjorde, du skal først forstå, hvordan RØD-teknikken virker.

I RØD, en membran, kaldet anionbyttermembranen, eller AEM, tillader negativt ladede elektroner (anioner) at bevæge sig gennem membranen, mens en anden membran, kaldet kationbyttermembranen, eller CEM, tillader positivt ladede elektroner (kationer) at strømme gennem membranen.

Membranerne adskiller en fortyndet saltopløsning fra en koncentreret saltopløsning. Ionerne migrerer fra den koncentrerede til den fortyndede opløsning, og fordi de to forskellige typer membraner veksles, de tvinger anionerne og kationerne til at migrere i modsatte retninger.

Når disse alternerende søjler er klemt mellem to elektroder, kan stakken generere nok energi til at opdele vand i brint (på katodesiden) og oxygen (på anodesiden).

Denne tilgang blev udviklet i 1950'erne og brugte først saltvand og flodvand.

Hvad Krakhella og hendes kolleger gjorde, imidlertid, var at bruge en anden slags salt kaldet kaliumnitrat. Brugen af ​​denne slags salt gjorde det muligt for dem at bruge spildvarme som en del af processen.

Genbrug af saltene ved hjælp af spildvarme

Hvis du kører de røde stakke beskrevet ovenfor, på et tidspunkt bliver koncentratet og de fortyndede saltopløsninger mere og mere ens, så de skal genopfriskes.

Det betyder, at du skal finde en måde at øge koncentrationen af ​​saltet i den koncentrerede opløsning og fjerne salt fra den fortyndede opløsning. Det er her spildvarmen kommer ind.

Forskerne testede to systemer.

Den første var, hvor spildvarme blev brugt til at fordampe vand fra den koncentrerede opløsning for at gøre den mere koncentreret.

Det andet system brugte spildvarme til at få salt til at fælde ud af den fortyndede opløsning (så den bliver mindre salt).

"Hvis du finder en måde at fjerne vandet eller fjerne saltet, du har gjort arbejdet, " sagde Krakhella.

Begge havde fordele

Da forskerne så på deres resultater, de så, at brug af eksisterende membranteknologi og spildvarme til at fordampe vand fra deres system producerede mere brint pr. membranareal end nedbørsmetoden.

Produktionen af ​​brint var fire gange højere for fordampningssystemet, der drives ved 25 C og to gange højere for et system, der drives ved 40 C i forhold til deres nedbørssystem.

Det gjorde det til en bedre kandidat ud fra et omkostningsperspektiv.

Imidlertid, nedbørsprocessen var bedre med hensyn til energibehov, fandt forskerne. For eksempel, den nødvendige energi til at producere en kubikmeter brint ved hjælp af udfældningsprocessen var kun 8,2 kWh, sammenlignet med 55 kWh for fordampningsprocessen.

Nyt system med mange muligheder

Mens Krakhellas arbejde beviser, at konceptet vil fungere, hun har mest arbejdet med en laboratoriebænkmodel og masser af computerberegninger. Der er stadig meget arbejde at gøre, især med hensyn til den slags salt, der anvendes i processen.

Forskerne valgte kaliumnitrat til deres saltsystem, men andre salte kunne også virke, hun sagde.

"Det er et helt nyt system, " sagde hun. "Vi bliver nødt til at lave flere test med andre salte i andre koncentrationer."

Membranpriser er en begrænsende faktor

Et andet problem, der fortsat begrænser brintproduktionen, er, at selve membranerne forbliver ekstremt dyre.

Krakhella håber, at når samfund søger at bevæge sig væk fra fossile brændstoffer, øget efterspørgsel vil presse prisen på membraner ned, samt forbedring af egenskaberne af selve membranerne.

"Membranerne er den dyreste del af vores system, " sagde Krakhella. "Men alle ved, at vi skal gøre noget ved miljøet, og prisen er potentielt meget højere for samfundet, hvis vi ikke udvikler forureningsfri energi."