Ricercatori internazionali di energia solare termica hanno testato con successo CONISOL, un reattore solare che funziona ad aria, in grado di produrre qualsiasi combustibile solare come l'idrogeno e di funzionare giorno e notte, perché utilizza l'energia solare concentrata (CSP) che può includere l'accumulo di energia termica.

La promessa dei combustibili solari è che potremmo avere combustibili a zero emissioni di carbonio come l'idrogeno senza le emissioni di carbonio dannose per il clima necessarie per produrre idrogeno dal gas naturale oggi, quindi perfezionare i reattori solari è la chiave per un futuro di energia pulita al 100%.

Invece di bruciare un combustibile fossile per il calore necessario per guidare il processo di chimica termica, per reazioni chimiche come la scissione di H2 (idrogeno) da H2O, gli scienziati hanno testato vari tipi di reattori riscaldati dalla forma termica del solare, CSP, che utilizza specchi per concentrare il flusso solare su un ricevitore.

Per ottenere calore a zero emissioni di carbonio per reazioni termochimiche, che possono operare a temperature fino a 1, 500 C - gli esperti considerano il calore diretto del CSP come una fonte di energia pulita più efficiente rispetto all'elettricità da fotovoltaico o eolico.

Ci sarà una fornitura illimitata di luce solare nel corso dei secoli, e nessuna conseguenza climatica quando la termochimica è guidata dall'energia solare. L'unico svantaggio rispetto alla combustione di energia fossile, è che il sole tramonta di notte.

Solare notturno

Ora, un gruppo di scienziati del Centro aerospaziale tedesco (DLR) supportato dall'Aerosol and Particle Technology Laboratory di CPERI/CERTH Grecia ha costruito e testato un nuovo design del reattore solare che include lo stoccaggio in modo da poter fornire calore 24 ore su 24 come l'attuale metodo a combustibili fossili, ma senza emissioni.

La loro carta, Fabbricazione e test di CONTISOL:nel dicembre 2017 è stato pubblicato un nuovo reattore-ricevitore per la termochimica solare diurna e notturna. a Ingegneria termica applicata .

"I reattori solari in passato hanno avuto il problema di cosa fare di notte quando non c'è il sole, o anche quando passano le nuvole, ", ha detto l'autore principale del giornale, Justin Lappo, ex DLR, e ora Assistant Professor di Ingegneria Meccanica presso l'Università del Maine.

Lapp ha spiegato che quando la temperatura scende, potrebbe essere necessario arrestare la reazione o rallentare la portata dei reagenti, riducendo la quantità di prodotti che ottieni. Se il reattore si spegne di notte si raffredda, non solo sprecare calore residuo, ma ricominciare dal nulla la mattina dopo.

Come funziona

"Quindi l'idea principale di CONISOL era quella di costruire due reattori insieme, " ha detto. "Uno in cui la luce solare sta facendo direttamente l'elaborazione chimica. L'altro lato per immagazzinare energia. Nei canali chimici le alte temperature del materiale guidano la reazione chimica e si ottiene un cambiamento dai reagenti ai prodotti all'interno di quei canali, e nei canali dell'aria l'aria più fresca va dalla parte anteriore e l'aria più calda esce dal retro."

Combinando le capacità di stoccaggio con un reattore termochimico solare diretto, ottengono il meglio da entrambi i mondi, temperature stabili 24 ore su 24, ma anche la fonte di calore più efficiente per eseguire reazioni perché è diretta, quindi "non hai tante perdite con più passaggi tra la luce del sole e la chimica che sta accadendo".

CONISOL utilizza un serbatoio a cielo aperto, basato sul serbatoio d'aria volumetrico utilizzato nella sua torre solare di prova a Julich da DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), che può riscaldare l'aria a 1, 100 C. Lì un ricevitore a cielo aperto prende l'aria dall'atmosfera e la tira attraverso piccoli canali in un materiale monolitico.

"Il nostro è un serbatoio d'aria volumetrico come questo, " disse Lapp. "Il centro è un monolite estruso; un grande cilindro con molti canali rettangolari più piccoli. Ogni altra fila di canali viene utilizzata per la chimica o per il passaggio dell'aria attraverso il monolite. Questi canali sono aperti sul davanti per consentire alla luce solare di entrare e riscaldare questo materiale monolitico".

Il test originale utilizzava carburo di silicio per il ricevitore multicanale, ma gli scienziati hanno intenzione di provare Inconel, una lega metallica più dura per il ricevitore.

"Il carburo di silicio è un po' difficile da produrre perché non può essere lavorato bene come un metallo. Quindi ottenere tolleranze molto strette può essere difficile. Non è troppo costoso ma non è il materiale più semplice con cui lavorare nella produzione, " ha riferito.

Sono necessarie temperature tra 800-900 C per riorganizzare le molecole di acqua o idrocarburi nella maggior parte dei combustibili solari, quindi quello era l'obiettivo della temperatura. Il prototipo del reattore ha funzionato con successo a 850 C su scala di laboratorio:5kW.

CONISOL è stato testato a Colonia, Germania usando "soli" simulati, piuttosto che un vero campo solare, e sono stati simulati anche l'accumulo e lo scambiatore di calore, poiché il reattore stesso è l'innovazione.

"Questa bilancia è un prototipo scientifico semplicemente per farci capire come controllarla. Non sarebbe commercializzata a 5 kW, "ha detto. "Commercialmente, 1-5 MW sarebbe circa il più piccolo per i reattori su scala industriale, e potrebbero scalare fino a 100 MW o anche più grandi".

"Nel nostro caso stiamo facendo il reforming del metano come esempio. Ma non è legato al metano, potrebbe produrre un numero qualsiasi di combustibili solari. Uno interessante è la produzione di idrogeno dall'acido solforico come materiale ciclico. Quando si evapora l'acido solforico a circa 400 C in vapore e SO3, non è corrosivo, in modo da poter utilizzare anche componenti in acciaio inossidabile."

Perché l'aria come mezzo di trasferimento del calore?

Il trasferimento del calore nell'aria apre opzioni per sistemi di accumulo ad alta efficienza come l'accumulo termochimico o l'accumulo di calore latente in rame o leghe di rame che fondono tra 900 - 1100 C.

I vantaggi dell'aria sono che è accessibile, liberamente disponibile e abbondante. L'aria non è corrosiva, e qualsiasi perdita sarebbe irrilevante, quindi non ha bisogno di essere contenuto in un ciclo chiuso, Lui ha spiegato.

"Può aspirare l'aria appena fuori dall'atmosfera e poi farla passare attraverso lo scambiatore di calore per immagazzinare il calore. E poi può far uscire quell'aria una volta che si è raffreddata".

Con altri materiali di trasferimento di calore, "Devi assicurarti che il sistema sia sigillato ovunque e se ne perdi qualcuno devi comprarne di più per recuperarlo. Con l'aria non hai questo problema."

A differenza di molti supporti per il trasferimento di calore, che possono cambiare la loro struttura molecolare alle alte temperature, l'aria rimane stabile alle alte temperature.

Però, un serbatoio d'aria sembrerebbe escludere reazioni chimiche che utilizzano liquidi come l'acqua. Non così, disse Lappo.

"Ci sono pochissimi liquidi che rimangono liquidi nell'intervallo da 600 a 800 gradi che ci interessa, " ha spiegato. "La maggior parte delle reazioni chimiche di cui ci occupiamo sono o con gas come il metano o con materiali solidi come le reazioni di ossido di metallo.

Anche la scissione dell'acqua avviene a una temperatura così elevata che l'acqua non è liquida, ma vapore.

"L'acqua che entra già come vapore rende molto più facile progettare il ricevitore. Non hai problemi di espansione del vapore mentre bolle. È più facile tenerlo stretto per il vapore che liquido, " disse. Quindi per preparare l'acqua per la scissione, sarebbe stato prima bollito a vapore proprio nella torre.

"In questi reattori solari ad alta temperatura, il punto centrale sulla torre dove tutti gli specchi si concentrano è il migliore per la chimica ad alta temperatura. Otteniamo un flusso molto alto al centro per arrivare a 600 - 800 C. Ma c'è sempre un mucchio di radiazioni sprecate intorno all'esterno; c'è ancora abbastanza luce per riscaldare a 200 - 300 C, non abbastanza per la chimica ma abbastanza per far evaporare l'acqua in vapore, " ha sottolineato Lappo.

I primi reattori termochimici erano nucleari

La ricerca sull'utilizzo dei reattori per eseguire la termochimica è nata negli anni '60 con l'energia nucleare, ma è stato abbandonato una volta che i ricercatori non sono stati in grado di ottenere reazioni nucleari per raggiungere le temperature necessarie. Pochissimi progetti di reattori nucleari erano in grado di raggiungere 800 C.

Ma più recentemente, reattori solari hanno ripreso questa ricerca in termochimica, basato sul calore solare piuttosto che sul nucleare. Stanno già raggiungendo temperature tra 800 C e 1500 C su scala pilota, utilizzando la luce solare altamente concentrata.

I reattori solari non includono il grande blocco di potenza di un impianto CSP, che è una centrale termica completa che produce elettricità (tranne con il calore fornito dal sole). I reattori solari non hanno bisogno della grande turbina o del generatore per produrre elettricità, ma consistono solo di una torre, un campo solare, un ricevitore e la camera di reazione. A questa, CONISOL aggiunge un sistema di stoccaggio, trasferire il calore dall'aria allo scambiatore di calore.

Per produrre idrogeno, ad esempio, Un reattore solare di tipo CONISOL comprenderebbe un campo solare di eliostati (specchi), una torre, un serbatoio d'aria e l'accumulatore di calore. Gli specchi rifletterebbero la luce del sole nel serbatoio dell'aria; riscaldamento dell'aria in due serie di piccole camere che dirigono l'aria alla camera di reazione per la reazione termochimica, o all'accumulo di calore.

L'idrogeno potrebbe quindi essere utilizzato in più reazioni - se lo avessi conservato per mantenerlo caldo durante la notte - o lo avresti convogliato fuori dalla camera di reazione nella torre per essere compresso, riempire un serbatoio, e scaccialo.