Нова система використовує 40% сонячного тепла для виробництва чистого водневого палива

Інженери Массачусетського технологічного інституту прагнуть виробляти повністю екологічне водневе паливо без вмісту вуглецю за допомогою нової системи реакторів, схожої на потяг, яка працює виключно від сонця.

У дослідженні, опублікованому сьогодні в Solar Energy, інженери викладають концептуальний дизайн системи, яка може ефективно виробляти «сонячний термохімічний водень ». Система використовує сонячне тепло, щоб безпосередньо розщеплювати воду та генерувати водень — чисте паливо, яке може рухати вантажівки, кораблі та літаки на великі відстані, не викидаючи при цьому парникових газів.

Сьогодні водень в основному виробляється за допомогою процесів, які включають природний газ та інші види викопного палива, що робить екологічне паливо більш «сірим» джерелом енергії, якщо розглядати його від початку виробництва до кінцевого використання. На відміну від цього, сонячний термохімічний водень, або STCH, пропонує абсолютно вільну від викидів альтернативу, оскільки він повністю покладається на відновлювану сонячну енергію для стимулювання виробництва водню . Але поки що існуючі конструкції STCH мають обмежену ефективність: лише близько 7% сонячного світла, що надходить, використовується для виробництва водню. Результати поки що були низькими врожаями та високими витратами.

Команда Массачусетського технологічного інституту припускає, що нова конструкція може використовувати до 40% сонячного тепла для отримання значно більшої кількості водню. Підвищення ефективності може знизити загальну вартість системи, зробивши STCH потенційно масштабованим і доступним варіантом, який допоможе декарбонізувати транспортну галузь.

«Ми думаємо про водень як про паливо майбутнього, і існує потреба виробляти його дешево та в масштабах», — каже провідний автор дослідження Ахмед Гонієм, професор машинобудування імені Рональда К. Крейна в MIT. «Ми намагаємося досягти мети Міністерства енергетики, яка полягає в тому, щоб до 2030 року виробляти екологічно чистий водень за ціною 1 долар за кілограм. Щоб покращити економіку, ми маємо підвищити ефективність і забезпечити використання більшої частини сонячної енергії, яку ми збираємо. у виробництві водню».

Сонячні станції

Подібно до інших пропонованих конструкцій, система MIT працюватиме в парі з існуючим джерелом сонячного тепла, таким як концентрована сонячна установка (CSP) — круглий масив із сотень дзеркал, які збирають і відбивають сонячне світло до центральної приймальної вежі. Потім система STCH поглинає тепло приймача та спрямовує його на розщеплення води та виробництво водню. Цей процес дуже відрізняється від електролізу, який використовує електрику замість тепла для розщеплення води.

В основі концептуальної системи STCH лежить двостадійна термохімічна реакція. На першому етапі вода у вигляді пари піддається впливу металу. Це змушує метал захоплювати кисень із пари, залишаючи водень. Це «окислення» металу схоже на іржавіння заліза у присутності води, але воно відбувається набагато швидше. Після виділення водню окислений (або заіржавілий) метал повторно нагрівається у вакуумі, що призводить до зворотного процесу іржавіння та регенерації металу. Після видалення кисню метал можна охолодити та знову піддати дії пари, щоб отримати більше водню. Цей процес можна повторювати сотні разів.

Система MIT розроблена для оптимізації цього процесу. Система в цілому нагадує потяг коробчатих реакторів, що рухаються по колії. На практиці ця доріжка буде встановлена ​​навколо сонячного теплового джерела, наприклад вежі CSP. У кожному реакторі в поїзді буде міститися метал, який піддається окислювально-відновному процесу, або процесу оборотної іржі.

Кожен реактор спочатку проходитиме через гарячу станцію, де на нього буде впливати сонячне тепло при температурах до 1500°C. Ця екстремальна спека ефективно витягне кисень із металу реактора. Тоді цей метал буде у «відновленому» стані — готовий захоплювати кисень із пари. Щоб це сталося, реактор переміститься на холодильну станцію з температурою близько 1000 °C, де він піддасться впливу пари для виробництва водню.

Іржа і рейки

Інші подібні концепції STCH зіткнулися зі спільною перешкодою: що робити з теплом, що виділяється скороченим реактором під час його охолодження. Без рекуперації та повторного використання цього тепла ефективність системи занадто низька, щоб бути практичною.

Друга проблема пов’язана зі створенням енергоефективного вакууму, де метал може очистити від іржі. Деякі прототипи створюють вакуум за допомогою механічних насосів, хоча насоси занадто енергоємні та дорогі для великомасштабного виробництва водню.

Щоб вирішити ці проблеми, розробка Массачусетського технологічного інституту включає кілька обхідних шляхів енергозбереження. Щоб рекуперувати більшу частину тепла, яке інакше вийшло б із системи, реактори на протилежних сторонах кругової доріжки можуть обмінюватися теплом через теплове випромінювання; гарячі реактори охолоджуються, а холодні нагріваються. Це зберігає тепло всередині системи.

Дослідники також додали другий набір реакторів, які кружляли навколо першого поїзда, рухаючись у протилежному напрямку. Цей зовнішній ланцюг реакторів працював би загалом при більш низьких температурах і використовувався б для евакуації кисню з гарячішого внутрішнього ланцюга без потреби в енерговитратних механічних насосах.

Ці зовнішні реактори мали б другий тип металу, який також може легко окислюватися. Коли вони обертаються навколо, зовнішні реактори поглинатимуть кисень із внутрішніх реакторів, ефективно очищаючи вихідний метал від іржі, без використання енергоємних вакуумних насосів. Обидві ланки реакторів працюватимуть безперервно та генеруватимуть окремі потоки чистого водню та кисню.

Дослідники провели детальне моделювання концептуального дизайну та виявили, що це значно підвищить ефективність сонячного термохімічного виробництва водню з 7%, як показали попередні розробки, до 40%.

«Ми повинні думати про кожну частинку енергії в системі та про те, як її використовувати, щоб мінімізувати витрати», — говорить Гонієм. «І з цією конструкцією ми виявили, що все може працювати за допомогою тепла, що надходить від сонця. Він здатний використовувати 40% сонячного тепла для виробництва водню».

«Якщо це вдасться реалізувати, це може кардинально змінити наше енергетичне майбутнє, а саме, забезпечивши виробництво водню 24/7», — каже Крістофер Мухіч, доцент кафедри хімічної інженерії в Університеті штату Арізона, який не брав участі в дослідженні. «Здатність виробляти водень є стрижнею виробництва рідкого палива з сонячного світла».

У наступному році команда створюватиме прототип системи, який вони планують випробувати на установках концентрованої сонячної енергії в лабораторіях Міністерства енергетики.

«Після повного впровадження ця система буде розміщена в маленькій будівлі посеред сонячного поля», — пояснює Патанкар. «Усередині будівлі може бути один або кілька поїздів, у кожному з яких буде близько 50 реакторів. І ми думаємо, що це може бути модульна система, де ви можете додавати реактори до конвеєра, щоб збільшити виробництво водню».

За матеріалами techxplore.com

-=GadzzillA=-

Компьютерный системный администратор, веб-огородник, IT-шник, специалист по строительным материалам, создатель и администратор проекта "Лаборатория Рабочих Столов"

Вас также может заинтересовать...

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

 

Цей сайт використовує Akismet для зменшення спаму. Дізнайтеся, як обробляються ваші дані коментарів.