Μηχανικοί στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης έχουν σχεδιάσει ένα σύστημα που μπορεί να παράγει αποτελεσματικά «ηλιακό θερμοχημικό υδρογόνο». Χρησιμοποιεί τη θερμότητα του ήλιου για να διασπάσει το νερό και να παράγει υδρογόνο, ένα καθαρό καύσιμο που μπορεί να τροφοδοτήσει φορτηγά, πλοία και αεροπλάνα μεγάλων αποστάσεων, εκπέμποντας μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου στη διαδικασία.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Solar Energy Journal , οι μηχανικοί περιγράφουν τον εννοιολογικό σχεδιασμό ενός συστήματος ικανού να παράγει αποτελεσματικά «ηλιακό θερμοχημικό υδρογόνο». Το σύστημα χρησιμοποιεί τη θερμότητα του ήλιου για να διασπάσει απευθείας το νερό και να παράγει υδρογόνο, ένα καθαρό καύσιμο που μπορεί να τροφοδοτήσει φορτηγά, πλοία και αεροπλάνα μεγάλων αποστάσεων, χωρίς να εκπέμπει αέρια θερμοκηπίου.
Επί του παρόντος, το υδρογόνο παράγεται κυρίως μέσω διεργασιών που περιλαμβάνουν φυσικό αέριο και άλλα ορυκτά καύσιμα, καθιστώντας το κατά τα άλλα πράσινο καύσιμο περισσότερο σαν μια «γκρίζα» πηγή ενέργειας όταν εξετάζεται από την αρχή της παραγωγής έως την τελική χρήση του. Αντίθετα, το ηλιακό θερμοχημικό υδρογόνο, ή STCH, προσφέρει μια εναλλακτική λύση εντελώς χωρίς εκπομπές, καθώς βασίζεται εξ ολοκλήρου στην ηλιακή ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές για την παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, τα υπάρχοντα σχέδια STCH είχαν μέχρι στιγμής περιορισμένη απόδοση: μόνο περίπου το 7 τοις εκατό του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου. Τα αποτελέσματα μέχρι στιγμής ήταν χαμηλή απόδοση και υψηλό κόστος.
Σε ένα μεγάλο βήμα προς την παραγωγή καυσίμων που παράγονται από τον ήλιο, η ομάδα του MIT εκτιμά ότι ο νέος σχεδιασμός του θα μπορούσε να αξιοποιήσει έως και το 40 τοις εκατό της θερμότητας του ήλιου για να παράγει πολύ περισσότερο υδρογόνο. Η αύξηση της απόδοσης θα μπορούσε να μειώσει το συνολικό κόστος του συστήματος, καθιστώντας το STCH μια πιθανή επεκτάσιμη και οικονομικά αποδοτική επιλογή που θα συμβάλει στην απαλλαγή από τον άνθρακα του κλάδου μεταφορών. Για σύγκριση, το πιο αποτελεσματικό πολυστρωματικό φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ικανό να μετατρέπει το 32% της ηλιακής ενέργειας σε ενέργεια.
Παρόμοια με άλλα προτεινόμενα έργα, το σύστημα MIT θα συνδυαστεί με μια υπάρχουσα πηγή ηλιακής θερμότητας, όπως μια μονάδα συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας (CSP): μια κυκλική περιοχή από εκατοντάδες καθρέφτες που συλλέγουν και αντανακλούν το φως του ήλιου πίσω σε μια κεντρική υποδοχή πύργος. Ένα σύστημα STCH θα απορροφούσε στη συνέχεια τη θερμότητα από τον πύργο και θα τον κατευθύνει να διασπάσει το νερό και να παράγει υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ διαφορετική από την ηλεκτρόλυση, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό αντί για θερμότητα για τη διάσπαση του νερού.
Στην καρδιά ενός εννοιολογικού συστήματος STCH βρίσκεται μια θερμοχημική αντίδραση δύο φάσεων. Στο πρώτο στάδιο, το νερό με τη μορφή ατμού εκτίθεται σε ένα μέταλλο. Αυτό αναγκάζει το μέταλλο να πάρει το οξυγόνο από τον ατμό, αφήνοντας πίσω το υδρογόνο. Αυτή η «οξείδωση» του μετάλλου είναι παρόμοια με τη σκουριά του σιδήρου παρουσία νερού, αλλά συμβαίνει πολύ πιο γρήγορα. Μόλις διαχωριστεί το υδρογόνο, το οξειδωμένο (ή σκουριασμένο) μέταλλο θερμαίνεται υπό κενό, το οποίο λειτουργεί για να αντιστρέψει τη διαδικασία σκουριάς και να αναγεννήσει το μέταλλο. Με την αφαίρεση του οξυγόνου, το μέταλλο μπορεί να ψυχθεί και να εκτεθεί ξανά στον ατμό για να παράγει περισσότερο υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί εκατοντάδες φορές.
Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Ahmed Ghoniem, καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών στο MIT, δήλωσε: «Εξετάζουμε το υδρογόνο ως το καύσιμο του μέλλοντος και υπάρχει ανάγκη να το παράγουμε φθηνά και σε μεγάλη κλίμακα. Προσπαθούμε να πετύχουμε τον στόχο του Υπουργείου Ενέργειας, ο οποίος είναι να παράγει πράσινο υδρογόνο έως το 2030 με 1 $ ανά κιλό. Για να βελτιώσουμε τα οικονομικά, πρέπει να βελτιώσουμε την απόδοση και να διασφαλίσουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ενέργειας που συλλέγουμε χρησιμοποιείται στην παραγωγή υδρογόνου».
Οι συγγραφείς της μελέτης του Ghoniem είναι η Aniket Patankar, πρώτη συγγραφέας και μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο MIT. Harry Tuller, καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο MIT. Xiao-Yu Wu του Πανεπιστημίου του Waterloo. και Wonjae Choi στο Πανεπιστήμιο Ewha Women's στη Νότια Κορέα.
Το σύστημα MIT έχει σχεδιαστεί για τη βελτιστοποίηση αυτής της διαδικασίας. Ολόκληρο το σύστημα μοιάζει με τρένο αντιδραστήρα σε σχήμα κουτιού που τρέχει σε κυκλική τροχιά. Στην πράξη, αυτή η διαδρομή θα τοποθετηθεί γύρω από μια ηλιακή θερμική πηγή, όπως ένας πύργος CSP. Κάθε αντιδραστήρας στο τρένο θα φιλοξενούσε μέταλλο που υφίσταται τη διαδικασία οξείδωσης-αναγωγής ή αναστρέψιμης σκουριάς.
Κάθε αντιδραστήρας θα περνούσε πρώτα από έναν θερμό σταθμό, όπου θα εκτεθεί στη θερμότητα του ήλιου σε θερμοκρασίες άνω των 1.500 βαθμών Κελσίου. Αυτή η ακραία θερμότητα θα εξάγει αποτελεσματικά οξυγόνο από έναν μεταλλικό αντιδραστήρα. Αυτό το μέταλλο θα βρισκόταν τότε σε «μειωμένη» κατάσταση, έτοιμο να πάρει οξυγόνο από τον ατμό. Για να συμβεί αυτό, ο αντιδραστήρας θα μεταφερόταν σε ψυχρότερο σταθμό σε θερμοκρασίες γύρω στους 1000 βαθμούς Κελσίου, όπου θα εκτεθεί σε ατμό για την παραγωγή υδρογόνου.
Το «τρένο» των αντιδραστήρων
Το πρόβλημα της κατανομής και της αποξείδωσης της θερμότητας
Άλλες παρόμοιες ιδέες STCH έχουν συναντήσει ένα κοινό εμπόδιο: τι να κάνουμε με τη θερμότητα που απελευθερώνεται από τον μειωμένο αντιδραστήρα κατά τη διάρκεια της ψύξης. Χωρίς ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση αυτής της θερμότητας, η απόδοση του συστήματος είναι πολύ χαμηλή για να είναι πρακτική.
Ένα δεύτερο πρόβλημα αφορά τη δημιουργία ενεργειακού κενού στο οποίο το μέταλλο μπορεί να απολιπανθεί. Ορισμένα πρωτότυπα δημιουργούν κενό χρησιμοποιώντας μηχανικές αντλίες, αν και οι αντλίες είναι πολύ ενεργοβόρες και ακριβές για μεγάλης κλίμακας παραγωγή υδρογόνου.
Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, ο σχεδιασμός του MIT ενσωματώνει πολλά χαρακτηριστικά εξοικονόμησης ενέργειας. Για να ανακτηθεί το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που διαφορετικά θα διαφεύγει από το σύστημα, οι αντιδραστήρες στις αντίθετες πλευρές της κυκλικής τροχιάς μπορούν να ανταλλάσσουν θερμότητα μέσω θερμικής ακτινοβολίας. Οι θερμοί αντιδραστήρες ψύχονται ενώ οι ψυχροί αντιδραστήρες θερμαίνονται. Αυτό διατηρεί τη θερμότητα μέσα στο σύστημα. Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης ένα δεύτερο σύνολο αντιδραστήρων που θα περιέβαλλαν το πρώτο τρένο, κινούμενοι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η εξωτερική σειρά αντιδραστήρων θα λειτουργούσε σε γενικά χαμηλότερες θερμοκρασίες και θα χρησιμοποιηθεί για την εκκένωση οξυγόνου από το θερμότερο εσωτερικό τρένο, χωρίς την ανάγκη για μηχανικές αντλίες που καταναλώνουν ενέργεια.
Αυτοί οι εξωτερικοί αντιδραστήρες θα έφερναν έναν δεύτερο τύπο μετάλλου που μπορεί να οξειδωθεί εύκολα. Καθώς κυκλοφορούν, οι εξωτερικοί αντιδραστήρες θα απορροφούν οξυγόνο από τους εσωτερικούς αντιδραστήρες, αντιστρέφοντας αποτελεσματικά την οξείδωση του αρχικού μετάλλου, χωρίς να χρειάζονται αντλίες κενού που καταναλώνουν ενέργεια. Και οι δύο συρμοί αντιδραστήρων θα λειτουργούσαν συνεχώς και θα παράγουν χωριστά ρεύματα καθαρού υδρογόνου και οξυγόνου.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν λεπτομερείς προσομοιώσεις του εννοιολογικού σχεδιασμού και διαπίστωσαν ότι θα αύξανε σημαντικά την απόδοση της ηλιακής θερμοχημικής παραγωγής υδρογόνου, από 7 τοις εκατό, όπως έχουν δείξει προηγούμενα έργα, σε 40 τοις εκατό gneria Meccanica στο MIT και από τη SUSTech.
Χάρη στο κανάλι μας στο Telegram, μπορείτε να ενημερώνεστε για τη δημοσίευση νέων άρθρων Οικονομικών Σεναρίων.
Το άρθρο του MIT σχεδιάζει ένα πολύ αποδοτικό σύστημα για τη διάσπαση του νερού χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια προέρχεται από Οικονομικά Σενάρια .
Αυτή είναι μια αυτόματη μετάφραση μιας ανάρτησης που δημοσιεύτηκε στο Scenari Economici στη διεύθυνση URL https://scenarieconomici.it/il-mit-progetta-un-sistema-molto-efficiente-per-scindere-lacqua-tramite-lenergia-solare/ στις Sun, 22 Oct 2023 05:30:49 +0000.