Internationella solvärmeforskare har framgångsrikt testat CONTISOL, en solreaktor som går på luft, kan tillverka vilket solbränsle som helst som väte och att köra dag eller natt - eftersom det använder koncentrerad solenergi (CSP) som kan innefatta lagring av värmeenergi.

Löftet för solbränslen är att vi skulle kunna ha koldioxidfria bränslen som väte utan de klimatskadliga koldioxidutsläpp som krävs för att göra väte från naturgas idag, så perfektion av solreaktorer är nyckeln till en 100 % ren energiframtid.

Istället för att bränna ett fossilt bränsle för den värme som behövs för att driva den termiska kemiska processen, för kemiska reaktioner som att klyva H2 (väte) från H2O, forskare har testat olika typer av reaktorer som värms upp av den termiska formen av solenergi, CSP, som använder speglar för att koncentrera solflödet på en mottagare.

För att uppnå koldioxidfri värme för termokemiska reaktioner - som kan fungera vid temperaturer så höga som 1, 500 C - experter ser den direkta värmen från CSP som en mer effektiv ren energikälla än el från PV eller vind.

Det kommer att finnas ett obegränsat utbud av solljus under århundraden, och inga klimatkonsekvenser när termokemin drivs av solenergi. Den enda nackdelen jämfört med att bränna fossil energi, är att solen går ner på natten.

Nattsol

Nu, en grupp forskare vid German Aerospace Center (DLR) med stöd av Aerosol and Particle Technology Laboratory i CPERI/CERTH Grekland har byggt och testat en ny solenergireaktordesign som inkluderar lagring så att den kan ge värme dygnet runt som den nuvarande fossileldad metod, men utan utsläpp.

Deras papper, Tillverkning och testning av CONTISOL:En ny mottagarreaktor för dag- och nattsolar termokemi publicerades i december 2017, på Tillämpad termisk teknik .

"Solreaktorer har tidigare haft problemet med vad du gör på natten när du inte har sol, eller till och med när molnen går förbi, sa tidningens huvudförfattare, Justin Lapp, tidigare från DLR, och nu biträdande professor i maskinteknik vid University of Maine.

Lapp förklarade att när temperaturen sjunker, reaktionen kan behöva stoppas eller flödeshastigheten för reaktanterna bromsas, minska mängden produkter som du får ut. Om reaktorn stängs av på natten kyls den av, inte bara slösa bort restvärme, men börjar om från ingenting nästa morgon.

Hur det fungerar

"Så huvudtanken med CONTISOL var att bygga två reaktorer tillsammans, " sade han. "En där solljus direkt gör kemisk bearbetning. Den andra sidan för att lagra energi. I de kemiska kanalerna driver materialets höga temperaturer den kemiska reaktionen och du får en förändring från reaktanter till produkter inom dessa kanaler, och i luftkanalerna går svalare luft fram och varmare luft kommer ut på baksidan."

Genom att kombinera lagringskapacitet med en direkt termokemisk solreaktor, de får det bästa av två världar, stabila temperaturer dygnet runt men också den mest effektiva värmekällan för att utföra reaktioner eftersom det är direkt, så "du har inte så många förluster med flera steg mellan solljuset och kemin som händer."

CONTISOL använder en utomhusmottagare, baserat på den volymetriska luftmottagaren som drivs vid dess testsoltorn i Julich av DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), som kan värma luft till 1, 100 C. Där tar en friluftsmottagare luft från atmosfären och drar den genom små kanaler i ett monolitiskt material.

"Vår är en volymetrisk luftmottagare som den här, sade Lapp. Mitten är en extruderad monolit; en stor cylinder med många mindre rektangulära kanaler. Varannan rad av kanaler används för kemi eller för att passera luft genom monoliten. Dessa kanaler är öppna framtill för att låta solljus komma in och värma upp detta monolitiska material."

Det ursprungliga testet använde kiselkarbid för flerkanalsmottagaren, men forskarna planerar att prova Inconel, en hårdare metallegering för mottagaren.

"Kiselkarbid är lite svårt att tillverka eftersom den inte kan bearbetas lika bra som en metall. Så att få väldigt snäva toleranser kan vara svårt. Det är inte för dyrt men det är inte det lättaste materialet att arbeta med i tillverkningen, " berättade han.

Temperaturer mellan 800-900 C behövs för att omorganisera vatten- eller kolvätemolekyler till de flesta solbränslen, så det var temperaturmålet. Prototypreaktorn fungerade framgångsrikt vid 850 C i labbskala:5kW.

CONTISOL testades i Köln, Tyskland som använder simulerade "solar", snarare än ett verkligt solfält, och lagringen och värmeväxlaren simulerades också, eftersom reaktorn i sig är innovationen.

"Den här vågen är en vetenskaplig prototyp helt enkelt för att vi ska förstå hur man kontrollerar den. Den skulle inte kommersialiseras på 5 kW, "sa han. "Kommersiellt, 1-5 MW skulle vara ungefär det minsta för reaktorer i industriell skala, och de kunde skala till 100 MW eller ännu större."

"I vårt fall gör vi metanreformer som ett exempel. Men det är inte kopplat till metan, det kan göra hur många solbränslen som helst. En intressant är väteproduktion från svavelsyra som ett kretsloppsmaterial. När du förångar svavelsyra vid ca 400 C till ånga och SO3, det är inte frätande, så att du till och med kan använda komponenter i rostfritt stål."

Varför luft som värmeöverföringsmedium?

Att överföra värmen i luften öppnar alternativ för högeffektiva lagringssystem som termokemisk lagring eller latent värmelagring i koppar eller kopparlegeringar som smälter mellan 900 - 1100 C.

Fördelarna med luft är att den är tillgänglig, fritt tillgänglig och riklig. Luft är inte frätande, och eventuella läckor skulle vara oviktiga, så det behöver inte vara i en sluten slinga, han förklarade.

"Den kan dra in luft precis ur atmosfären och sedan köra den genom värmeväxlaren för att lagra värmen. Och sedan kan den ventilera ut den luften när den är kall."

Med andra värmeöverföringsmaterial, "du måste se till att systemet är förseglat överallt och om du tappar några måste du köpa mer för att ta igen det. Med luft har du inte det problemet."

Till skillnad från många värmeöverföringsmedier, som kan förändra sin molekylära struktur vid höga temperaturer, luften förblir stabil vid höga temperaturer.

Dock, en luftmottagare verkar utesluta kemiska reaktioner med vätskor som vatten. Inte så, sa Lapp.

"Det finns väldigt få vätskor som förblir flytande i intervallet 600 till 800 grader som vi är intresserade av, ", förklarade han. "De flesta av de kemiska reaktionerna vi hanterar är antingen med gaser som metan eller med fasta material som metalloxidreaktioner.

Även klyvning av vatten sker vid så hög temperatur att vattnet inte är flytande, men ånga.

"Vatten som kommer in redan som ånga gör det mycket enklare att designa mottagaren. Du har inte problemen med ångexpansion medan den kokar. Det är lättare att hålla den tät för ånga än vätska, " sa han. Så till färdigt vatten för klyvning, det skulle först kokas till ånga precis i tornet.

"I dessa solreaktorer med hög temperatur, mittpunkten på tornet där alla speglar fokuserar är bäst för högtemperaturkemi. Vi får mycket högt flöde i centrum för att komma till 600 - 800 C. Men det finns alltid en massa bortkastad strålning runt utsidan; det finns fortfarande tillräckligt med ljus för att värma upp till 200 - 300 C, inte tillräckligt för kemi men mycket för att förånga vatten till ånga, " påpekade Lapp.

De tidigaste termokemiska reaktorerna var nukleära

Forskning om att använda reaktorer för att utföra termokemi uppstod på 60-talet med kärnkraft, men övergavs när forskare inte kunde få kärnreaktioner att nå de temperaturer som behövdes. Mycket få kärnreaktorkonstruktioner kunde nå 800 C.

Men på senare tid, solreaktorer har tagit upp denna forskning inom termokemi, baserad på solvärme snarare än kärnkraft. De når redan temperaturer mellan 800 C och 1500 C i pilotskala, med starkt koncentrerat solljus.

Solreaktorer inkluderar inte det stora kraftblocket i en CSP-anläggning, som är ett fullt termiskt kraftverk som producerar elektricitet (förutom med värme från solen). Solreaktorer behöver inte den stora turbinen eller generatorn för att göra el, men bara består av ett torn, ett solfält, en mottagare och reaktionskammaren. Till detta, CONTISOL lägger till ett lagringssystem, överföra värmen från luften till värmeväxlaren.

För att producera väte till exempel, En solreaktor av CONTISOL-typ skulle omfatta ett solfält av heliostater (speglar), ett torn, en luftmottagare och värmelagret. Speglarna skulle reflektera solljus in i luftmottagaren; uppvärmning av luft i två uppsättningar av små kammare som leder luft till antingen reaktionskammaren för termokemi reaktion, eller till värmelagret.

Vätet skulle sedan kunna användas i fler reaktioner - om du hade lagrat det för att hålla det varmt över natten - eller så skulle du leda ut det från reaktionskammaren i tornet för att komprimeras, fyll en tank, och kör av den.