Producción anual de H2:las columnas turquesas muestran la temperatura en el receptor, que varía con la energía solar variable, y la línea púrpura muestra la variación resultante en la tasa de producción de H2 en kilogramos por segundo. La línea verde muestra el reactor oxidante en el proceso de dos pasos, donde las temperaturas son más uniformes; que van desde 800 a 1250 K (Kelvin). Crédito:Alicia Bayon
Los investigadores han construido un nuevo modelo dinámico que muestra cómo el hidrógeno producido con energía solar térmica concentrada se puede producir de manera más continua a través de una nueva estrategia de control estacional con ceria (CeO 2 ) partículas que amortiguan el efecto de la variación de la radiación solar.
Un papel, "Modelo dinámico de una planta de producción continua de hidrógeno basado en CeO 2 Ciclo termoquímico, "presentado en la Conferencia Anual SolarPACES2017, propone el uso de partículas de ceria no solo como reactivo redox en la producción de hidrógeno, pero también para almacenamiento de calor y medios de transferencia de calor (o medio) para controlar las temperaturas.
El hidrógeno se puede producir al dividir el agua (H 2 O en H 2 y oxígeno) a temperaturas muy altas utilizando energía solar térmica concentrada (CST), evitando el uso actual de combustibles fósiles para la producción de hidrógeno. Usar espejos que reflejen la luz solar enfocada en un receptor, CST puede generar temperaturas muy altas para procesos termoquímicos en un reactor solar, hasta 2, 000 ° C, y puede almacenar energía solar térmicamente para que pueda despachar la energía cuando sea necesario.
La mayoría de los procesos industriales requieren condiciones continuas para poder controlar los productos finales a una composición específica y optimizar la operación con la mayor eficiencia posible. Los medios comerciales de almacenamiento de energía térmica, como las sales fundidas, están limitados a temperaturas por debajo de 600 ° C, por lo que no son adecuados para procesos de alta temperatura como la producción de hidrógeno termoquímico solar. Pero ceria (CeO 2 ), que ya se utiliza en un reactor solar a muy alta temperatura para producir hidrógeno, se puede utilizar como medio de almacenamiento térmico además de ser un reactivo.
Los investigadores Alicia Bayon y Alberto de la Calle de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth de Australia (CSIRO) crearon un modelo dinámico que muestra la producción de hidrógeno durante todo el año con ceria. Modelan una forma de almacenar la energía en partículas de ceria, ajuste de la variación diaria de la radiación solar con controles estacionales, para producir un flujo continuo de hidrógeno.
Producción anual de H2 en este punto:esta estrategia de control permite una tasa de producción de hidrógeno más constante, y se está trabajando en el control para reducir aún más las fluctuaciones restantes. La temperatura en el oxidante también es más constante a 1350 K. Crédito:Alicia Bayon
"Hay otros investigadores que también propusieron un reactor de partículas de ceria, "dijo Bayon, el coautor del artículo. "Nuestra principal contribución es que desarrollamos un modelo dinámico de todos los componentes juntos para demostrar que este sistema puede funcionar en condiciones solares reales".
"En nuestro trabajo, Desarrollamos un modelo dinámico para reproducir cómo pueden funcionar diferentes componentes en condiciones solares reales. Necesitábamos corregir el efecto de la variación en el recurso solar diariamente y durante el año. También propusimos una configuración del sistema y una estrategia de control para producir un flujo continuo de hidrógeno ".
"Creemos que en el futuro, si se puede desarrollar un sistema como este, la eficiencia real del proceso en sí podría ser muy alta en comparación con las eficiencias que la gente está viendo ahora con los reactores de lecho fijo". del 5,25% ".
Bayon y de la Calle proponen un novedoso diseño de planta para la producción continua de hidrógeno utilizando ceria en partículas
Una de las formas de producir hidrógeno termoquímico solar es mediante un proceso redox de dos pasos que divide el agua en hidrógeno (H 2 O en H 2 .) Este proceso utiliza ceria (CeO 2 ) como material redox y ha sido probado experimentalmente en un `` lecho fijo '' como espuma porosa sólida inamovible en el reactor, con los gases que lo atraviesan para realizar la reacción.
Modelo dinámico de una planta de producción continua de hidrógeno basado en el ciclo termoquímico de CeO2. Crédito:Alicia Bayon
El desafío de la operación de lecho fijo es mantener constante la producción de hidrógeno asegurando cambios de temperatura después de completar los pasos individuales del proceso. "Si tienes que enfriar y calentar los reactores y los tanques todos los días, también tendrás que gastar energía en hacerlo para que tu eficiencia disminuya". "dijo Bayon.
Investigaciones anteriores se han centrado en controlar la luz solar reflejada modulando de alguna manera la luz de los helióstatos cuando hay "demasiada" radiación solar que sobrepasa las necesidades de temperatura del primer paso de aproximadamente 1500 ° C. Y en este modelo también, El desenfoque parcial del helióstato también ayuda a evitar que las temperaturas aumenten demasiado en el receptor / reactor. Pero eso significa esencialmente desperdiciar energía utilizable.
En lugar de, modelan el control de la variación diaria y estacional de la energía solar durante el año, al usar ceria no solo como reactivo, sino también como medio de transferencia de calor y almacenamiento de calor, en forma de partículas. Controlar el caudal de las partículas de ceria ayuda a controlar el calor absorbido en el reactor termoquímico solar. para una mayor eficiencia.
Bayon explicó por qué. "En un lecho fijo, la cantidad de ceria es siempre la misma, la espuma de ceria se puede "activar" una vez al día. Una vez que la ceria está activa para la producción de hidrógeno, los helióstatos deben desenfocarse para realizar la reacción de división del agua. En lugar de, utilizamos dióxido de cerio como sustancia química sólida en partículas, como polvo o arena, por lo que las partículas se calientan en el receptor, almacenados calientes y usados para producir hidrógeno cuando sea necesario. También se recirculan a través del sistema y el flujo de partículas nunca se detiene. De esta forma podemos seguir calentando las partículas, absorbiendo la cantidad máxima de energía solar disponible en el receptor, guárdelos en un tanque y luego, utilícelos en la reacción redox para producir hidrógeno. De este modo, las partículas de ceria utilizan la energía solar de manera más eficiente ".
Cómo funciona
Bayon y de la Calle modelan un proceso que usaría partículas de ceria, fluyendo a través del receptor para ser calentado, en tanques donde se puede almacenar la masa de partículas similares a la arena, y luego enviado a transportadores de partículas que regulan el caudal y así controlan las temperaturas en los reactores del paso uno y del paso dos. Se logra una estasis continua.
"De un tanque, la ceria va al primer reactor y luego al otro tanque. Cuando el nivel del tanque disminuye, aumenta el nivel del tanque dos, así que a lo largo del año, y todos los días, sube y baja, dependiendo de cuánto operemos el receptor y el oxidante, " Ella explicó.
"Es probablemente uno de los mayores desafíos de ingeniería, porque tenemos que transportar las partículas a altas temperaturas, y también tenemos que mantener el sistema libre de oxígeno ".
Cuando las partículas llegan al segundo reactor para el paso de oxidación, que es exotérmica (desprende calor) todavía están muy calientes, debido a la inercia térmica.
"Así que nos gustaría no poner energía en el reactor oxidante porque nuestra eficiencia disminuirá. En el oxidante, tenemos que hacer un compromiso entre operar a temperatura constante y ser eficientes. Operamos el oxidante a una temperatura más baja que el receptor. Entonces, si es posible, no utilizamos ninguna fuente de energía adicional aparte del calor de reacción y el calor sensible almacenado en las partículas de ceria. El uso de energía adicional provocará pérdidas de energía; la eficiencia del proceso disminuirá, "ella señaló.
"Tiene un controlador de enfriamiento porque queremos controlar la temperatura en el oxidante para que sea constante, lo que también ayuda a mantener constante la tasa de producción de hidrógeno. Sin embargo, también necesitamos controlar el caudal de partículas de ceria en el reactor oxidante, lo que implica un desafío adicional. Actualmente estamos trabajando en una nueva estrategia de control para intentar mantener variaciones por debajo del 20% en la producción de hidrógeno durante un año de operación ”.
Modelar tecnologías de vanguardia es un desafío
Recientemente, los receptores de partículas han recibido atención de la investigación debido a las posibles ventajas de eficiencia.
Pero el procesamiento termoquímico solar basado en partículas está a la vanguardia de la investigación del combustible solar, creando un desafío. Un modelo debe basarse en la vida real, dijo Bayon. "El principal desafío al que te enfrentas es demostrar que tu modelo reproduce la realidad. Para mí, si un modelo no es realista, no es útil".
"Fue bastante difícil hacerlo realmente realista porque se necesitan datos experimentales para validar el modelo. Algunos de los modelos se pueden validar pero otros no, porque no tenemos instalaciones experimentales al menos a esta escala, " ella dijo.
"Suponiendo que conozca todos los fenómenos físicos y químicos involucrados en los procesos, el principal desafío es que también hay que reproducir el comportamiento real del propio equipo. Ésta es una de las cosas más difíciles a la hora de desarrollar un modelo. Especialmente en la producción de hidrógeno termoquímico solar, ya que aún no se han desarrollado plantas comerciales ".
Sin embargo, son los modelos teóricos como este los que son los precursores necesarios de la experimentación.
