Hλιοθερμοχημικοί αντιδραστήρες για παραγωγή καυσίμων με ουδέτερο αποτύπωμα άνθρακα

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.