Produzione annuale di H2:Le colonne turchesi mostrano la temperatura nel ricevitore che varia al variare dell'energia solare, e la linea viola mostra la variazione risultante nel tasso di produzione di H2 in chilogrammi al secondo. La linea verde mostra il reattore ossidante nel processo in due fasi, dove le temperature sono più uniformi; da 800 a 1250 K (Kelvin). Credito:Alicia Bayon
I ricercatori hanno costruito un nuovo modello dinamico che mostra come l'idrogeno prodotto con energia solare termica concentrata può essere reso più continuamente attraverso una nuova strategia di controllo stagionale con ceria (CEO 2 ) particelle che tamponano l'effetto della variazione della radiazione solare.
Un documento, "Modello dinamico di un impianto di produzione continua di idrogeno basato su CeO 2 Ciclo Termochimico, " presentato alla Conferenza Annuale SolarPACES2017, propone di utilizzare particelle di ceria non solo come reagente redox nella produzione di idrogeno, ma anche per l'accumulo di calore e i mezzi di trasferimento del calore (o mezzo) per controllare le temperature.
L'idrogeno può essere prodotto dalla scissione dell'acqua (H 2 O in H 2 e ossigeno) a temperature molto elevate utilizzando il solare termico a concentrazione (CST) - evitando l'uso odierno di combustibili fossili per la produzione di idrogeno. Utilizzando specchi che riflettono la luce solare focalizzata su un ricevitore, CST può generare temperature molto elevate per processi termochimici in un reattore solare, fino a 2, 000°C, e può immagazzinare l'energia solare termicamente in modo da poter inviare l'energia quando necessario.
La maggior parte dei processi industriali richiede condizioni continue per poter controllare i prodotti finali in base a una composizione specifica e ottimizzare il funzionamento con la massima efficienza possibile. I mezzi commerciali di stoccaggio dell'energia termica come i sali fusi sono limitati a temperature inferiori a 600°C, quindi non sono adatti per processi ad alta temperatura come la produzione di idrogeno termochimico solare. Ma ceria (CeO 2 ), che è già utilizzato in un reattore solare ad altissima temperatura per produrre idrogeno, può essere utilizzato come supporto di accumulo termico oltre ad essere un reagente.
I ricercatori Alicia Bayon e Alberto de la Calle dell'Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) hanno creato un modello dinamico che mostra la produzione di idrogeno con ceria durante tutto l'anno. Modellano un modo per immagazzinare l'energia nelle particelle di ceria, regolazione per variazione giornaliera della radiazione solare con controlli stagionali, produrre un flusso continuo di idrogeno.
Produzione annuale di H2 a questo punto: Questa strategia di controllo consente un tasso di produzione di idrogeno più costante, e sono in corso lavori sul controllo per ridurre ulteriormente le fluttuazioni rimanenti. Anche la temperatura nell'ossidante è più costante a 1350 K. Credito:Alicia Bayon
"Ci sono altri ricercatori che hanno proposto anche un reattore di particelle di ceria, "disse Bayon, il coautore dell'articolo. "Il nostro contributo principale è che abbiamo sviluppato un modello dinamico di tutti i componenti insieme per dimostrare che questo sistema può funzionare in condizioni solari reali".
"Nel nostro lavoro, abbiamo sviluppato un modello dinamico per riprodurre come i diversi componenti possono funzionare in condizioni solari reali. Avevamo bisogno di correggere l'effetto della variazione della risorsa solare giornalmente e nel corso dell'anno. Abbiamo anche proposto una configurazione di sistema e una strategia di controllo per produrre un flusso continuo di idrogeno".
"Pensiamo che in futuro, se un sistema può essere sviluppato come questo, l'efficienza effettiva del processo stesso potrebbe essere molto elevata rispetto alle efficienze che le persone stanno vedendo ora con i reattori a letto fisso, del 5,25%."
Bayon e de la Calle propongono un nuovo progetto di impianto per la produzione continua di idrogeno utilizzando ceria in particelle
Uno dei modi per produrre idrogeno termochimico solare è in un processo redox in due fasi che divide l'acqua in idrogeno (H 2 O in H 2 .) Questo processo utilizza ceria (CeO 2 ) come materiale redox ed è stato testato sperimentalmente in un "letto fisso" come schiuma porosa solida e inamovibile nel reattore, con i gas che lo attraversano per eseguire la reazione.
Modello dinamico di un impianto di produzione continua di idrogeno basato sul ciclo termochimico del CeO2. Credito:Alicia Bayon
La sfida dell'operazione a letto fisso consiste nel mantenere costante la produzione di idrogeno assicurando il cambio di temperatura dopo il completamento delle singole fasi del processo. "Se devi raffreddare e riscaldare i reattori e i serbatoi ogni giorno, dovrai anche spendere energia per farlo, così la tua efficienza diminuirà, " disse Bayon.
La ricerca precedente si è concentrata sul controllo della luce solare riflessa modulando in qualche modo la luce dagli eliostati quando c'è "troppa" radiazione solare che supera le esigenze di temperatura del primo gradino di circa 1500°C. E anche in questo modello la sfocatura parziale dell'eliostato aiuta anche a prevenire che le temperature diventino troppo alte nel ricevitore/reattore. Ma questo significa essenzialmente buttare via l'energia utilizzabile.
Anziché, modellano il controllo della variazione giornaliera e stagionale dell'energia solare nel corso dell'anno, usando ceria non solo come reagente, ma anche come mezzo di trasferimento e accumulo di calore, in forma particellare. Il controllo della portata delle particelle di ceria aiuta a controllare il calore assorbito nel reattore termochimico solare, per una maggiore efficienza.
Bayon ha spiegato perché. "In un letto fisso la quantità di ceria è sempre la stessa, la schiuma di ceria può essere "attivata" una volta al giorno. Una volta che la ceria è attiva per la produzione di idrogeno, gli eliostati devono essere defocalizzati per eseguire la reazione di scissione dell'acqua. Anziché, abbiamo usato il biossido di cerio come sostanza chimica solida in particelle, come polvere o sabbia, quindi le particelle vengono riscaldate al ricevitore, immagazzinato caldo e utilizzato per produrre idrogeno quando necessario. Inoltre vengono ricircolati attraverso il sistema e il flusso di particelle non si ferma mai. In questo modo possiamo continuare a riscaldare le particelle, assorbendo la massima quantità di energia solare disponibile al ricevitore, conservarli in un serbatoio e successivamente, usarli nella reazione redox per produrre idrogeno. In questo modo, le particelle di ceria utilizzano l'energia solare in modo più efficiente."
Come funziona
Bayon e de la Calle modellano un processo che utilizzerebbe particelle di ceria, che scorre attraverso il ricevitore da riscaldare, su serbatoi dove può essere immagazzinata la massa di particelle sabbiose, e quindi inviato a convogliatori di particelle che regolano la portata e quindi controllano le temperature ai reattori di stadio uno e di stadio due. Si ottiene una stasi continua.
"Da un serbatoio la ceria va al primo reattore poi va all'altro serbatoio. Quando il livello del serbatoio diminuisce, serbatoio due aumenti di livello, così nel corso dell'anno – e ogni giorno – va su e giù, a seconda di quanto operiamo il ricevitore e l'ossidante, " lei spiegò.
"Si tratta probabilmente di una delle maggiori sfide ingegneristiche, perché dobbiamo trasportare le particelle ad alte temperature, e dobbiamo anche mantenere il sistema privo di ossigeno".
Quando le particelle arrivano al secondo reattore per la fase di ossidazione, che è esotermico (emette calore) sono ancora molto caldi, per inerzia termica.
"Quindi vorremmo non mettere energia nel reattore dell'ossidante perché la nostra efficienza diminuirà. Nell'ossidante, dobbiamo fare un compromesso tra il funzionamento a temperatura costante e l'efficienza. Operiamo l'ossidante a una temperatura inferiore rispetto al ricevitore. Quindi, se è possibile, non utilizziamo alcuna fonte di energia aggiuntiva oltre al calore di reazione e al calore sensibile immagazzinato nelle particelle di ceria. L'utilizzo di energia aggiuntiva porterà a perdite di energia; l'efficienza del processo diminuirà, " ha sottolineato.
"Ha un controller di raffreddamento perché vogliamo che la temperatura all'ossidatore sia costante, il che aiuta a mantenere costante anche la velocità di produzione dell'idrogeno. Tuttavia, dobbiamo anche controllare la portata delle particelle di ceria nel reattore ossidante, il che implica un'ulteriore sfida. Attualmente stiamo lavorando a una nuova strategia di controllo per cercare di mantenere variazioni inferiori al 20% sulla produzione di idrogeno in un anno di attività".
La modellazione di tecnologie all'avanguardia è impegnativa
Recentemente i ricevitori di particelle hanno attirato l'attenzione della ricerca a causa dei potenziali vantaggi in termini di efficienza.
Ma il trattamento termochimico solare basato su particelle è all'avanguardia nella ricerca sui combustibili solari, creando una sfida. Un modello deve essere basato sulla vita reale, disse Bayon. "La sfida principale che devi affrontare è dimostrare che il tuo modello riproduce la realtà. Per me, se un modello non è realistico, non è utile".
"È stato piuttosto difficile renderlo davvero realistico perché sono necessari dati sperimentali per convalidare il modello. Alcuni dei modelli potrebbero essere convalidati ma altri no, perché non abbiamo strutture sperimentali almeno su questa scala, " lei disse.
"Supponendo che tu conosca tutti i fenomeni fisici e chimici coinvolti nei processi, la sfida principale è che devi anche riprodurre il comportamento reale dell'attrezzatura stessa. Questa è una delle cose più difficili quando si sviluppa un modello. Soprattutto nella produzione di idrogeno termochimico solare in quanto non sono ancora stati sviluppati impianti commerciali".
Eppure sono modelli teorici come questo che sono i necessari precursori della sperimentazione.
