Hλιοθερμοχημικοί αντιδραστήρες για παραγωγή καυσίμων με ουδέτερο αποτύπωμα άνθρακα

Abstract

Thermochemical production of solar fuels is an interesting long-term alternative or short term supplementary solution to tackle clean energy demand. The required high temperatures are achieved via the concentration of solar irradiation. Some of the most studied and promising active materials are investigated computationally with respect to the energy required to release oxygen from their lattice and the effect that doping with transition metals or rare earth elements has on this energy. One of the best material candidates remains nickel-ferrite. A kinetic model is developed that can adequately describe solar thermochemical water and carbon dioxide splitting with nickel ferrite powder as the active redox material. The results show a satisfactory agreement with experimental data and continuous multi-cycle operation under varying operating conditions is simulated. The kinetic model is adapted to simulate production yields in structured solar reactor components. A high flux solar simulator device is developed, allowing the lab-scale assessment of solar reactor concepts and components by irradiating a target with high flux thermal energy, similarly to reactors installed in concentrated solar radiation facilities. A simple, cavity-tubular thermochemical reactor is designed, constructed and used for the evaluation of the redox activity of structured monolithic bodies (foams and honeycombs) consisting entirely of nickel-ferrite for water, carbon dioxide and combined feed splitting reactions. Experiments with a solar reactor under irradiation were conducted, to assess the solar fuels production capability, which was examined both at the structure level and at the reactor level. The best performing structure was the nickel ferrite foam. Further on, the design and construction of a solar furnace facility able to achieve high solar concentration on a reactor is presented. The facility is used for the evaluation of reactors and overall processes in the demonstration scale for high temperature thermochemical cycles for solar fuels production. A two-step thermochemical cycle with nickel-ferrite as the active redox core is investigated from the material to the reactor scale. Results considering the reduction energy, doping effect, splitting and reduction kinetics, reactor design and construction, lab and pilot scale design and construction of facilities for the evaluation of these reactors are presented and discussed. As a general remark, although for now efficiencies remain very low, this pathway holds promise for a future sustainable and economically viable production of solar fuels. Additional multilevel research (material, structure, reactor and solar plant), will improve product yield and reactor efficiency. Favorable solutions strongly depend on the identification of more active and stable materials as well as on the definition of solar reactor designs that enable optimum exploitation of solar irradiation.

H θερμοχημική παραγωγή ηλιακών καυσίμων είναι μια ενδιαφέρουσα μακροπρόθεσμη εναλλακτική ή βραχυπρόθεσμη συμπληρωματική λύση για την παραγωγή καθαρής ενέργειας. Οι υψηλές θερμοκρασίες για την θερμοχημική παραγωγή ηλιακών καυσίμων επιτυγχάνονται μέσω της συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας με συστήματα ηλιακού πύργου ή παραβολικών δίσκων. Μερικά από τα πιο μελετημένα και αποδοτικά ενεργά υλικά διερευνώνται υπολογιστικά σε σχέση με την ενέργεια που απαιτείται για την απελευθέρωση οξυγόνου από το πλέγμα τους και την επίδραση που έχει η υποκατάσταση με μεταβατικά μέταλλα ή στοιχεία σπανίων γαιών σε αυτή την ενέργεια. Ένα από τα καλύτερα υποψήφια υλικά παραμένει ο φερρίτης νικελίου. Στη συνέχεια αναπτύσσεται ένα κινητικό μοντέλο που μπορεί να περιγράψει επαρκώς τη θερμοχημική διάσπαση του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα με σκόνη φερρίτη νικελίου ως ενεργό οξειδοαναγωγικό υλικό. Τα αποτελέσματα δείχνουν ικανοποιητική συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα και προσομοιώνεται η συνεχής λειτουργία πολλαπλών κύκλων. Το κινητικό μοντέλο προσαρμόζεται για να προσομοιώνει παραγωγή σε δομημένα μέρη ηλιακού αντιδραστήρα, δηλαδή εξωθημένες μονολιθικές δομές. Σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ένας ηλιακός προσομοιωτής υψηλής θερμικής ισχύος, που επιτρέπει την αξιολόγηση σε εργαστηριακό επίπεδο των αρχών λειτουργίας και των επιμέρους μερών ενός ηλιακού αντιδραστήρα, όπως συμβαίνει και σε αντιδραστήρες/συλλέκτες που είναι εγκατεστημένοι σε μονάδες συγκεντρωμένης ηλιακής ακτινοβολίας. Ένας απλός σωληνοειδής θερμοχημικός αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της οξειδοαναγωγικής δραστικότητας των δομημένων μονολιθικών σωμάτων (αφρών και μονολιθικών δομών) αποτελούμενων εξ ολοκλήρου από φερρίτη νικελίου για αντιδράσεις διάσπασης νερού και διοξειδίου του άνθρακα. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με ηλιακό αντιδραστήρα υπό ακτινοβόληση, για την αξιολόγηση της ικανότητας παραγωγής ηλιακών καυσίμων, η οποία εξετάστηκε τόσο σε επίπεδο δομής όσο και σε επίπεδο αντιδραστήρα. Η δομή με τις καλύτερες επιδόσεις ήταν ο αφρός φερρίτη νικελίου. Περαιτέρω, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός συστήματος ηλιακού κλιβάνου ικανού να επιτύχει υψηλή ηλιακή συγκέντρωση σε έναν αντιδραστήρα. Η εγκατάσταση επιτρέπει την αξιολόγηση των αντιδραστήρων και των συνολικών διεργασιών σε κλίμακα επίδειξης για τους θερμοχημικούς κύκλους σε υψηλές θερμοκρασίες για την παραγωγή ηλιακών καυσίμων. Ένας θερμοχημικός κύκλος δύο σταδίων με φερρίτη νικελίου διερευνάται από το επίπεδο του υλικού μέχρι την κλίμακα του αντιδραστήρα. Εξετάζονται τα αποτελέσματα που αφορούν σε μείωση της ενέργειας αναγωγής, την επίδραση της υποκατάστασης από διάφορα μεταλλοϊόντα, την κινητική των αντιδράσεων, το σχεδιασμό και την κατασκευή του αντιδραστήρα, το σχεδιασμό και την κατασκευή εγκαταστάσεων σε εργαστηριακή και σε μεγαλύτερη κλίμακα για την αξιολόγηση αυτών των αντιδραστήρων. Περαιτέρω έρευνα, σε παράλληλα επίπεδα (υλικό, δομή και μορφολογία, αντιδραστήρας και ηλιακή εγκατάσταση) θα βελτιώσει την παραγωγή των προϊόντων και την απόδοση του αντιδραστήρα. Οι βέλτιστες λύσεις εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ταυτοποίηση πιο ενεργών και σταθερών υλικών καθώς και από αντιδραστήρες που επιτρέπουν τη βέλτιστη εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας.