Forskare har byggt en ny dynamisk modell som visar hur väte som produceras med koncentrerad solenergi kan göras mer kontinuerligt genom en ny säsongsstyrningsstrategi med ceria (CeO) ₂ ) partiklar som buffrar effekten av variation i solstrålning.

Ett papper, "Dynamisk modell för en kontinuerlig väteproduktionsanläggning baserad på CeO ₂ Termokemisk cykel, "presenterad vid SolarPACES2017 års konferens, föreslår att man använder ceriumpartiklar inte bara som redoxreaktant vid väteproduktion, men också för värmelagring och värmeöverföringsmedia (eller medium) för att styra temperaturerna.

Väte kan produceras genom att klyva vatten (H ₂ O till H ₂ och syre) vid mycket höga temperaturer med koncentrerad solvärme (CST) - undviker dagens användning av fossila bränslen för väteproduktion. Använda speglar som reflekterar fokuserat solljus på en mottagare, CST kan generera mycket höga temperaturer för termokemiska processer i en solreaktor, upp till 2, 000 ° C, och kan lagra solenergi termiskt så att den kan skicka energin vid behov.

De flesta industriella processer kräver kontinuerliga förhållanden för att kunna styra slutprodukterna till en specifik sammansättning och optimera driften med högsta möjliga effektivitet. Kommersiella lagringsmedier för termisk energi som smälta salter är begränsade till temperaturer under 600 ° C, så de är inte lämpliga för högtemperaturprocesser som termokemisk vätgasproduktion. Men ceria (CeO ₂ ), som redan används i en solreaktor vid en mycket hög temperatur för att producera väte, kan användas som termisk lagringsmedia ovanpå att vara en reaktant.

Forskarna Alicia Bayon och Alberto de la Calle från Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) skapade en dynamisk modell som visar vätgasproduktion året runt med ceria. De modellerar ett sätt att lagra energin i ceriumpartiklar, justera för daglig variation i solstrålning med säsongskontroller, att producera ett kontinuerligt väteflöde.

"Det finns andra forskare som också föreslog en reaktor av ceriumpartiklar, "sa Bayon, medförfattare till tidningen. "Vårt främsta bidrag är att vi tillsammans utvecklat en dynamisk modell av alla komponenter för att bevisa att detta system kan fungera under verkliga solförhållanden."

"I vårt arbete, Vi utvecklade en dynamisk modell för att återge hur olika komponenter kan fungera under verkliga solförhållanden. Vi behövde korrigera effekten av variationen i solresursen dagligen och under året. Vi föreslog också en systemkonfiguration och en kontrollstrategi för att producera ett kontinuerligt väteflöde. "

"Vi tror att i framtiden om ett system kan utvecklas så här kan den faktiska effektiviteten i själva processen vara mycket hög jämfört med effektiviteten som människor ser nu med fastbäddsreaktorer, på 5,25%. "

Bayon och de la Calle föreslår en ny växtdesign för kontinuerlig väteproduktion med cerium i partiklar

Ett av sätten att göra termokemiskt solväte är i en tvåstegs redoxprocess som delar vatten till väte (H ₂ O till H ₂ .) Denna process använder ceria (CeO ₂ ) som ett redoxmaterial och har testats experimentellt i en "fast bädd" som ett fast orörligt poröst skum i reaktorn, med gaserna passerade genom den för att utföra reaktionen.

Utmaningen med fastbäddsoperationen är att hålla vätgasproduktionen konstant och säkerställa temperaturväxlingar efter att de enskilda processstegen har slutförts. "Om du måste svalna och värma upp reaktorerna och tankarna varje dag måste du också spendera energi på att göra det så att din effektivitet minskar, sa Bayon.

Tidigare forskning har fokuserat på att kontrollera det reflekterade solljuset genom att på något sätt modulera ljuset från heliostaterna när det är "för mycket" solstrålning som överskrider temperaturbehovet i det första steget på cirka 1500 ° C. Och i den här modellen också delvis heliostat -defokus hjälper också till att förhindra att temperaturen blir för hög i mottagaren/reaktorn. Men det betyder att man i princip kastar bort användbar energi.

Istället, de modellerar kontroll av daglig och säsongsvariation i solenergi under året, genom att använda cerium inte bara som reaktant, men också som värmeöverförings- och värmelagringsmedium, i partikelform. Att kontrollera flödeshastigheten för ceriumpartiklarna hjälper till att kontrollera värmen som absorberas i den termokemiska solreaktorn, för större effektivitet.

Bayon förklarade varför. "I en fast säng är mängden ceria alltid densamma, ceriumskummet kan "aktiveras" en gång varje dag. När cerien är aktiv för väteproduktionen, heliostatikerna måste vara defokuserade för att utföra vattensplittningsreaktionen. Istället, vi använde ceriumdioxid som en fast kemikalie i partiklar, som ett pulver eller en sand, så partiklarna värms upp på mottagaren, lagras varmt och används för att producera väte vid behov. De återcirkuleras också genom systemet och flödet av partiklar stannar aldrig. På så sätt kan vi fortsätta värma upp partiklarna, tar upp den maximala mängden tillgänglig solenergi vid mottagaren, förvara dem i en tank och senare, använd dem i redoxreaktionen för att producera väte. På det här sättet, ceria partiklar använder solenergi mer effektivt. "

Hur det fungerar

Bayon och de la Calle modellerar en process som skulle använda ceriapartiklar, rinner genom mottagaren för att värmas upp, på tankar där massan av sandliknande partiklar kan lagras, och sedan skickas till partikeltransportörer som reglerar flödeshastigheten och sålunda styr temperaturerna vid steg ett och steg två reaktorer. En kontinuerlig stasis uppnås.

"Från en tank går ceriaen till den första reaktorn sedan går den till den andra tanken. När tanken en nivå minskar, tank två nivåer ökar, så under året - och varje dag - går det upp och ner, beroende på hur mycket vi använder mottagaren och oxidatorn, " hon förklarade.

"Det är förmodligen en av de största tekniska utmaningarna, eftersom vi måste transportera partiklarna vid höga temperaturer, och vi måste också hålla systemet fritt från syre. "

När partiklarna kommer till den andra reaktorn för oxidationssteget, som är exoterm (det avger värme) de är fortfarande mycket heta, på grund av termisk tröghet.

"Så vi skulle vilja att inte lägga energi i oxidationsreaktorn eftersom vår effektivitet kommer att minska. I oxidationsmedlet, vi måste göra en kompromiss mellan att arbeta vid konstant temperatur och att vara effektiv. Vi använder oxidationsmedlet vid lägre temperatur än mottagaren. Så om det är möjligt, vi använder inte någon ytterligare energikälla förutom reaktionsvärmen och den förnuftiga värmen som lagras i ceriumpartiklarna. Att använda extra energi kommer att leda till energiförluster; processens effektivitet minskar, "påpekade hon.

"Den har en kylregulator eftersom vi vill kontrollera temperaturen vid oxidationsmedlet för att vara konstant som hjälper till att hålla vätgasproduktionshastigheten konstant också. Men vi måste också kontrollera flödeshastigheten för ceriumpartiklar i oxidationsreaktorn, vilket innebär en ytterligare utmaning. Vi arbetar för närvarande med en ny kontrollstrategi för att försöka behålla variationer lägre än 20% på väteproduktionen under ett års drift. "

Att modellera avancerad teknik är utmanande

Nyligen har partikelmottagare fått forskningsuppmärksamhet på grund av de potentiella effektivitetsfördelarna.

Men partikelbaserad soltermokemisk bearbetning är i framkant av forskning om solbränsle, skapa en utmaning. En modell måste baseras på verkliga livet, sa Bayon. "Den främsta utmaningen du står inför är att visa att din modell återger verkligheten. För mig är en modell orealistisk är den inte användbar."

"Det var ganska svårt att göra det riktigt realistiskt eftersom du behöver experimentella data för att validera modellen. Vissa av modellerna kunde valideras men andra kunde inte, eftersom vi inte har experimentella anläggningar åtminstone i denna skala, " Hon sa.

"Förutsatt att du känner till alla fysikaliska och kemiska fenomen som är involverade i processerna, den största utmaningen är att du också måste återge det verkliga beteendet hos själva utrustningen. Detta är en av de svåraste sakerna när du utvecklar en modell. Särskilt i termokemisk vätgasproduktion eftersom det inte har utvecklats några kommersiella anläggningar ännu. "

Ändå är det teoretiska modeller som detta som är nödvändiga föregångare till experiment.