Новая система будет использовать солнечное тепло для производства водородного топлива

В исследовании инженеры излагают концептуальный проект системы, которая может эффективно производить «солнечный термохимический водород». Система использует солнечное тепло для непосредственного расщепления воды и выработки водорода — чистого топлива, которое может приводить в движение грузовые автомобили, корабли и самолеты, перевозимые на дальние расстояния, при этом не выделяя при этом выбросов парниковых газов.

Сегодня водород в основном производится с помощью процессов, в которых задействован природный газ и другие виды ископаемого топлива, что делает зеленое топливо более «серым» источником энергии, если рассматривать его от начала его производства до конечного использования. Напротив, солнечный термохимический водород, или STCH, предлагает альтернативу, полностью свободную от выбросов, поскольку он полностью полагается на возобновляемую солнечную энергию для производства водорода. Но пока существующие конструкции STCH имеют ограниченную эффективность: только около 7 процентов поступающего солнечного света используется для производства водорода. До сих пор результаты были низкодоходными и дорогостоящими.

По оценкам команды Массачусетского технологического института, это большой шаг на пути к созданию топлива, производимого на солнечной энергии. Их новая конструкция может использовать до 40 процентов солнечного тепла для выработки гораздо большего количества водорода. Повышение эффективности может снизить общую стоимость системы, что сделает STCH потенциально масштабируемым и доступным вариантом, помогающим декарбонизировать транспортную отрасль.

«Мы думаем о водороде как о топливе будущего, и существует необходимость производить его дешево и в больших масштабах», — говорит ведущий автор исследования Ахмед Гонием, профессор машиностроения Рональда К. Крейна в Массачусетском технологическом институте. «Мы пытаемся достичь цели Министерства энергетики, которая состоит в том, чтобы к 2030 году производить экологически чистый водород по цене 1 доллар за килограмм. Чтобы улучшить экономику, мы должны повысить эффективность и убедиться, что большая часть солнечной энергии, которую мы собираем, используется. в производстве водорода».

Соавторами исследования Гониема являются Аникет Патанкар, первый автор и постдок Массачусетского технологического института; Гарри Туллер, профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института; Сяо-Ю Ву из Университета Ватерлоо; и Вондже Чой из Женского университета Ихва в Южной Корее.

Солнечные станции

Подобно другим предлагаемым проектам, система MIT будет работать в паре с существующим источником солнечного тепла, таким как концентрированная солнечная установка (CSP) — круговой массив из сотен зеркал, которые собирают и отражают солнечный свет в центральную приемную башню. Затем система STCH поглощает тепло приемника и направляет его на расщепление воды и производство водорода. Этот процесс сильно отличается от электролиза, при котором для расщепления воды вместо тепла используется электричество.

В основе концептуальной системы STCH лежит двухэтапная термохимическая реакция. На первом этапе вода в виде пара подвергается воздействию металла. Это заставляет металл захватывать кислород из пара, оставляя после себя водород. Это «окисление» металла похоже на ржавление железа в присутствии воды, но происходит гораздо быстрее. После отделения водорода окисленный (или ржавый) металл повторно нагревается в вакууме, что обращает вспять процесс ржавления и регенерирует металл. После удаления кислорода металл можно охладить и снова подвергнуть воздействию пара для получения большего количества водорода. Этот процесс можно повторять сотни раз.

Система MIT призвана оптимизировать этот процесс. Система в целом напоминает поезд коробчатых реакторов, движущийся по круговой дорожке. На практике эта трасса будет проложена вокруг солнечного теплового источника, такого как башня CSP. В каждом реакторе поезда будет храниться металл, который подвергается окислительно-восстановительному процессу, или обратимому ржавлению.

Каждый реактор сначала будет проходить через горячую станцию, где он будет подвергаться воздействию солнечного тепла при температуре до 1500 градусов по Цельсию. Такая сильная жара могла бы эффективно вытянуть кислород из металла реактора. Тогда этот металл будет в «восстановленном» состоянии — готов захватить кислород из пара. Чтобы это произошло, реактор должен быть перемещен на более холодную станцию ​​с температурой около 1000°C, где он будет подвергаться воздействию пара для производства водорода.

Ржавчина и рельсы

Другие подобные концепции STCH столкнулись с общим препятствием: что делать с теплом, выделяемым восстановленным реактором при его охлаждении. Без рекуперации и повторного использования этого тепла эффективность системы слишком низка, чтобы ее можно было использовать на практике.

Вторая задача связана с созданием энергоэффективного вакуума, в котором металл может избавиться от ржавчины. Некоторые прототипы создают вакуум с помощью механических насосов, однако эти насосы слишком энергоемки и дороги для крупномасштабного производства водорода.

Чтобы решить эти проблемы, конструкция MIT включает несколько обходных путей энергосбережения. Чтобы восстановить большую часть тепла, которое в противном случае ушло бы из системы, реакторам на противоположных сторонах кольцевой трассы разрешено обмениваться теплом посредством теплового излучения; горячие реакторы охлаждаются, а холодные реакторы нагреваются. Это сохраняет тепло внутри системы. Исследователи также добавили второй комплект реакторов, которые будут вращаться вокруг первого поезда, двигаясь в противоположном направлении. Эта внешняя цепочка реакторов будет работать, как правило, при более низких температурах и будет использоваться для откачки кислорода из более горячей внутренней цепочки без необходимости использования энергоемких механических насосов.

Эти внешние реакторы будут содержать второй тип металла, который также может легко окисляться. По мере своего вращения внешние реакторы будут поглощать кислород из внутренних реакторов, эффективно удаляя ржавчину с исходного металла без необходимости использования энергоемких вакуумных насосов. Обе реакторные линии будут работать непрерывно и производить отдельные потоки чистого водорода и кислорода.

Исследователи провели детальное моделирование концептуального проекта и обнаружили, что он значительно повысит эффективность солнечного термохимического производства водорода с 7 процентов, как показали предыдущие проекты, до 40 процентов.

«Мы должны думать о каждом кусочке энергии в системе и о том, как ее использовать, чтобы минимизировать затраты», — говорит Гонием. «И с помощью этой конструкции мы обнаружили, что все может работать за счет тепла, исходящего от Солнца. Он способен использовать 40 процентов солнечного тепла для производства водорода».

В следующем году команда создаст прототип системы, которую они планируют протестировать на объектах концентрированной солнечной энергии в лабораториях Министерства энергетики, которое в настоящее время финансирует проект.

«Когда эта система будет полностью реализована, она будет размещена в небольшом здании посреди солнечного поля», — объясняет Патанкар. «Внутри здания может быть одна или несколько линий, каждая из которых будет иметь около 50 реакторов. И мы думаем, что это может быть модульная система, в которой вы можете добавлять реакторы к конвейерной ленте, чтобы увеличить производство водорода».

Эта работа поддерживалась Центрами исследований и образования в области машиностроения Массачусетского технологического института и SUSTech.

ScienceDaily

Спасибо, что читаете «Капитал страны»! Получайте первыми самые важные новости в нашем Telegram-канале или Вступайте в группу в «ВКонтакте» или в «Одноклассниках»