Nieuwe reactor baant de weg voor efficiënte productie van brandstof uit zonlicht

Nieuwe reactor baant de weg voor efficiënte productie van brandstof uit zonlicht

Anonim

door Kathy Svitil, California Institute of Technology

Image

Met behulp van een veel voorkomend metaal dat het meest voorkomt in zelfreinigende ovens, hoopt Sossina Haile onze energietoekomst te veranderen. Het metaal is ceriumoxide - of ceria - en het is het middelpunt van een veelbelovende nieuwe technologie ontwikkeld door Haile en haar collega's die zonne-energie concentreert en deze gebruikt om kooldioxide en water efficiënt om te zetten in brandstoffen.

Sossina Haile en William Chueh naast de thermochemische reactor die wordt gebruikt om materialen te screenen voor implementatie op de zonnereactor.

Zonne-energie wordt al lang aangeprezen als de oplossing voor onze energieproblemen, maar hoewel het overvloedig en gratis is, kan het niet worden gebotteld en getransporteerd van zonnige locaties naar de sombere - maar meer energie-hongerige - delen van de wereld. Het proces ontwikkeld door Haile - een professor in materiaalkunde en chemische technologie aan het California Institute of Technology (Caltech) - en haar collega's konden dat mogelijk maken.

De onderzoekers ontwierpen en bouwden een twee meter hoge prototype-reactor met een kwartsvenster en een holte die geconcentreerd zonlicht absorbeert. De concentrator werkt "als het vergrootglas dat je als kind gebruikte" om de zonnestralen scherp te stellen, zegt Haile.

Het hart van de reactor is een cilindrische bekleding van ceria. Ceria - een metaaloxide dat gewoonlijk wordt ingebed in de wanden van zelfreinigende ovens, waar het reacties katalyseert die voedsel en andere vastzittende smurrie afbreken - stuwt de door zonne-energie aangedreven reacties aan. De reactor maakt gebruik van het vermogen van ceria om zuurstof uit zijn kristallijne raamwerk bij zeer hoge temperaturen "uit te ademen" en vervolgens bij lagere temperaturen weer zuurstof "in te ademen".

"Het bijzondere van het materiaal is dat het niet alle zuurstof afgeeft. Dat helpt om het raamwerk van het materiaal intact te laten als zuurstof weggaat", legt Haile uit. "Wanneer we het weer afkoelen, heeft het materiaal de thermodynamisch voorkeurstoestand om zuurstof terug in de structuur te trekken."

De ETH-Caltech zonnereactor voor de productie van H2 en CO uit H2O en CO2 via de tweestaps thermochemische cyclus met ceria-redoxreacties.

Image

In het bijzonder wordt de ingeademde zuurstof ontdaan van koolstofdioxide (CO2) en / of water (H2O) gasmoleculen die in de reactor worden gepompt, waarbij koolmonoxide (CO) en / of waterstofgas (H2) wordt geproduceerd. H2 kan worden gebruikt om waterstofbrandstofcellen te voeden; CO, gecombineerd met H2, kan worden gebruikt om synthetisch gas of "syngas" te maken, dat de voorloper is van vloeibare koolwaterstofbrandstoffen. Door andere katalysatoren aan het gasmengsel toe te voegen, wordt ondertussen methaan geproduceerd. En zodra de ceria volledig is geoxygeneerd, kan deze weer worden opgewarmd en kan de cyclus opnieuw beginnen.

Om dit alles te laten werken, moeten de temperaturen in de reactor erg hoog zijn - bijna 3.000 graden Fahrenheit. Bij Caltech bereikten Haile en haar studenten dergelijke temperaturen met behulp van elektrische ovens. Maar voor een praktijktest, zegt ze, "moesten we fotonen gebruiken, dus gingen we naar Zwitserland." Bij de High-Flux Solar Simulator van het Paul Scherrer Institute installeerden de onderzoekers en hun medewerkers - onder leiding van Aldo Steinfeld van het Solar Technology Laboratory van het instituut - de reactor op een grote zonnesimulator die in staat is om de warmte van 1500 zonnen te leveren.

In experimenten die afgelopen voorjaar werden uitgevoerd, bereikten Haile en haar collega's de beste tarieven voor CO2-dissociatie die ooit werden bereikt, "in orde van grootte", zegt ze. De efficiëntie van de reactor was ongewoon hoog voor CO2-splitsing, deels, zegt ze, "omdat we het hele zonnespectrum gebruiken, en niet alleen bepaalde golflengtes." En in tegenstelling tot bij elektrolyse, wordt de snelheid niet beperkt door de lage oplosbaarheid van CO2 in water. Bovendien, zegt Haile, betekenen de hoge bedrijfstemperaturen van de reactor dat snelle katalyse mogelijk is, zonder de noodzaak van dure en zeldzame metaalkatalysatoren (cerium is in feite de meest voorkomende van de zeldzame aardmetalen - ongeveer even overvloedig als koper) .

Image

Op korte termijn zijn Haile en haar collega's van plan te sleutelen aan de ceria-formulering zodat de reactietemperatuur kan worden verlaagd en de reactor opnieuw kan worden ontworpen om de efficiëntie te verbeteren. Momenteel gebruikt het systeem minder dan 1% van de zonne-energie die het ontvangt, waarbij de meeste energie verloren gaat als warmte door de wanden van de reactor of door opnieuw te stralen door het kwartsvenster. "Toen we de reactor ontwierpen, hebben we niet veel gedaan om deze verliezen te beheersen", zegt Haile. Thermodynamische modellering door hoofdauteur en voormalig Caltech-afgestudeerde student William Chueh suggereert dat een efficiëntie van 15% of hoger mogelijk is.

Uiteindelijk, zegt Haile, zou het proces kunnen worden toegepast in grootschalige energiecentrales, waardoor van zonne-energie opgewekte energie dag en nacht betrouwbaar beschikbaar is. De CO2 uitgestoten door voertuigen kan worden verzameld en omgezet in brandstof, "maar dat is moeilijk", zegt ze. Een realistischer scenario zou kunnen zijn om de CO2-uitstoot van kolencentrales te nemen en om te zetten in transportbrandstoffen. "Je zou de koolstof eigenlijk twee keer gebruiken", legt Haile uit. Als alternatief, zegt ze, zou de reactor kunnen worden gebruikt in een "nul-CO2-uitstoot" -cyclus: H2O en CO2 zouden worden omgezet in methaan, elektriciteitscentrales opwekken die meer CO2 en H2O genereren, om het proces gaande te houden.

Een artikel over het werk, "High-Flux Solar-Driven Thermochemical Dissociation of CO2 and H2O Using Nonstoichiometric Ceria, " werd gepubliceerd in het 23 december nummer van Science .