Hydro mặt trời dựa trên nhiệt của MIT từ một chuỗi lò phản ứng mặt trời tự hào có khả năng thu hồi nhiệt 70% và chuyển nhiệt thành hydro từ 10% đến 40%
Trong các lò phản ứng năng lượng mặt trời sử dụng phản ứng nhiệt hóa học do năng lượng mặt trời đốt nóng để sản xuất hydro từ nước, cần phải thu hồi nhiệt để tăng hiệu suất và do đó, giảm chi phí thay thế cho quy trình nhiệt hóa học sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiện nay để sản xuất hydro.
Ceria là công nghệ tiên tiến nhất cho quá trình oxy hóa khử này và có hai bước chính: Khử và Oxy hóa. Trong bước đầu tiên (Khử), ceria (CeO2) được đun nóng, khiến nó giải phóng oxy. Sau đó, ở nhiệt độ thấp hơn, nước được thêm vào và ceria hấp thụ lại oxy từ nước, để lại hydro, có thể loại bỏ. Ceria được đun nóng lại để khởi động lại chu trình. Mỗi chu trình kéo dài 40-60 phút và bằng cách chạy lặp lại, hydro được chiết xuất mỗi lần.
Thu hồi nhiệt thải là rất quan trọng để thúc đẩy hydro nhiệt hóa học mặt trời
Các nhà nghiên cứu đã và đang tìm cách thu hồi nhiệt thải này tại ETH ở Thụy Sĩ, DLR ở Đức và các trung tâm nghiên cứu quốc tế khác để cải thiện hiệu quả của quy trình.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu MIT đã đưa ra một ý tưởng thu hồi nhiệt khác - truyền nhiệt giữa một đoàn lò phản ứng quay tròn, qua mô hình cho thấy có thể thu hồi được 70% nhiệt thải, đồng thời tăng hiệu suất chuyển nhiệt thành hydro (phần nhiệt mà bạn đưa vào hệ thống thành hydro) lên 40%, cao hơn nhiều so với mức 10% hiện nay.
Trong lĩnh vực nghiên cứu mới này, Solar Thermo Chemical Hydrogen (STCH), nơi nhiệt mặt trời tập trung được sử dụng để tạo ra hydro, một bộ thu năng lượng mặt trời trên đỉnh tháp được làm nóng bằng trường năng lượng mặt trời của các tấm phản xạ mặt trời, tập trung ánh sáng mặt trời vào chất lỏng truyền nhiệt trong bộ thu. Nhiệt thường được lưu trữ để cung cấp nhiệt ổn định cho lò phản ứng nơi xảy ra quá trình nhiệt hóa học.
Nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời Aniket Patankar trong một cuộc gọi từ MIT ở Massachusetts cho biết:
Hệ thống hứa hẹn nhất là nơi chúng ta có một bộ thu năng lượng mặt trời và lưu trữ năng lượng đó ở dạng nhiệt để nó có thể là các hạt rắn hoặc kim loại nóng chảy vì nhiệt độ rất cao. Sau đó, chúng ta sử dụng nhiệt được lưu trữ đó để làm nóng lò phản ứng,
“Thực hiện điều này với hạt nhân sẽ không lý tưởng vì nhiệt độ chúng ta cần, và với các hệ thống dựa trên nhiên liệu hóa thạch, chúng ta có toàn bộ vấn đề về khí thải. Vì vậy, năng lượng nhiệt mặt trời tập trung có lẽ là lựa chọn tốt nhất khi xem xét các nguồn tái tạo. Để dự phòng, chúng ta có PV hoặc gió, chúng ta có thể lưu trữ điện đó, nhưng điều đó ít được ưa chuộng hơn vì bạn đang lấy điện và chuyển đổi thành nhiệt, kém hiệu quả hơn. Vì vậy, trọng tâm chính của chúng tôi tại MIT là năng lượng mặt trời tập trung.”
Chuỗi lò phản ứng; cách thức hoạt động
Thông thường, các nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời trong lĩnh vực hydro đặt một lò phản ứng cạnh bộ thu năng lượng mặt trời trên tháp. Nhóm MIT của Patankar đã đưa ra một thiết kế khác với lò phản ứng năng lượng mặt trời đơn lẻ điển hình hơn này trên tháp, mà họ đã mô tả trong Hệ thống tàu phản ứng để sản xuất nhiên liệu nhiệt hóa học năng lượng mặt trời hiệu quả. Thay vào đó, họ đề xuất một đoàn tàu phản ứng bao quanh chân tháp ở mặt đất, giống như vòng xoay xử lý hành lý tại sân bay.
tác giả chính Patankar giải thích,
Bạn có thể nghĩ về nó như một vành đai mà các lò phản ứng này nằm trên đó,
“Băng chuyền chuyển chúng quanh vòng lặp đó. Nó cong, một băng chuyền tròn. Mỗi lò phản ứng có một cổng trao đổi khí ở phía sau. Các lò phản ứng này không chuyển động liên tục. Mỗi phút, băng chuyền di chuyển các lò phản ứng về phía trước một bước. Sau đó, băng chuyền di chuyển lò phản ứng tiếp theo vào vị trí và lặp lại quá trình trao đổi.”
Trong mỗi lần dừng nghỉ này, ở phía nóng, vùng oxy hóa, oxy được rút ra - trong khi ở phía lạnh, vùng khử, nước được đưa vào và hydro được rút ra.
Ông nói thêm,
Trong một số công nghệ như tách nước quang xúc tác, oxy và hydro thoát ra trong cùng một luồng khí và có nguy cơ chúng kết hợp lại để tạo thành nước. Chúng tôi không có nguy cơ đó ở đây,
Bản thân phản ứng nhiệt hóa học cũng tạo ra một số nhiệt, nhưng nguồn nhiệt chính là các lò phản ứng nóng khi chúng thoát khỏi vùng khử. Chúng phải được làm mát trước khi đến vùng oxy hóa. Nhiệt lượng chúng mất đi khi nguội đi được truyền bức xạ đến bộ lò phản ứng khác ở phía đối diện.
Patankar lưu ý,
Đó là sự truyền nhiệt bức xạ, một phương pháp truyền nhiệt không tiếp xúc,
“Nhiệt truyền từ vật liệu xốp trong cửa sổ lò phản ứng đầu tiên, sau đó qua cửa sổ của lò phản ứng thứ hai và vào vật liệu xốp của nó, vào ceria. Ở một đầu, nơi chúng cong, chúng ta sẽ có vùng nóng đưa nhiệt độ cao vào ở mức 1500°C. Các lò phản ứng ở phía nóng sẽ giải phóng oxy từ ceria. Khi chúng di chuyển dọc theo phần phẳng, chúng sẽ nguội dần cho đến đầu kia. Khi các lò phản ứng đủ nguội (800°C), chúng sẽ giải phóng hydro.”
Ông nói thêm,
Các lò phản ứng nóng di chuyển từ trái sang phải, các lò phản ứng lạnh di chuyển từ phải sang trái, vì vậy chúng di chuyển theo hướng ngược nhau và trao đổi nhiệt từ bên này sang bên kia.
Để phân tích hiệu quả của nó, nhóm đã phát triển phần mềm GREENER
Trước đó, nhóm nghiên cứu đã trình bày ý tưởng về đoàn tàu này nhằm cải thiện hiệu quả sản xuất hydro tại hội nghị Solar PACES.
Bây giờ, để ước tính hiệu quả của ý tưởng thu hồi nhiệt, họ đã đưa ra một phương pháp phần mềm mới giúp tăng tốc quá trình mô hình hóa để có thể thực hiện phân tích này; GREENER. Công cụ mới của họ vượt qua những trở ngại với các phương pháp truyền thống để thu thập dữ liệu này, hoặc quá chậm hoặc đủ nhanh nhưng kém chính xác hơn. Nhóm đã áp dụng phương pháp GREENER để nghiên cứu hiệu suất với độ dày khoang ceria và thời gian chu kỳ khác nhau.
Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hydro mặt trời này đang làm việc để cải thiện quá trình truyền nhiệt bức xạ trong các khoang ceria trong khi giảm chênh lệch nhiệt độ và tối đa hóa sản xuất hydro. Hai phương pháp truyền thống để phân tích hiệu suất là Monte Carlo Ray Tracing (MCRT), chính xác nhưng chậm, và RDA (Rosseland Diffusion approximation), nhanh nhưng kém chính xác hơn. Họ nói rằng GREENER kết hợp độ chính xác của phương pháp MCRT chậm hơn với tốc độ của RDA.
Ông giải thích,
Nếu bạn làm cho ceria dày hơn, thì nhiều vật liệu hoạt động hơn có thể vừa với mỗi lò phản ứng. Nhưng có một sự đánh đổi với độ dày của ceria,
Vì vậy, một trong những tính toán họ đã thực hiện là xác định độ dày tối ưu của ceria.
Ông ấy nói,
Nếu bạn làm cho vật liệu ceria dày hơn,
“sau đó, mặt tích cực là về mặt lý thuyết, bạn có thể thu được nhiều hydro hơn từ một lò phản ứng duy nhất. Vì vậy, đó là một điều tốt, nhưng thách thức là bạn bắt đầu phát triển các gradient nhiệt độ bên trong ceria đó. Nó hấp thụ nhiệt qua cửa sổ; chỉ có phần ceria hướng ra cửa sổ là nóng, và phần sau của nó vẫn lạnh. Vì vậy, điều đó làm giảm lượng hydro bạn có thể tạo ra vì phần sau của ceria không nóng bằng phần trước. Vì vậy, chúng tôi muốn tìm ra độ dày tối ưu ở đâu.”
Nhóm nghiên cứu có thể tính toán hiệu suất và sự thay đổi nhiệt độ cho nhiều độ dày khác nhau vì quá trình tính toán diễn ra nhanh.
Nhiều đơn vị làm cho việc tính toán hiệu quả hơn
Hình dạng của mỗi lò phản ứng đều giống nhau — giống như độ dày của cấu trúc ceria xốp—và không thay đổi nhiều theo thời gian, do đó có thể tính toán một lần cho tất cả các lò phản ứng, bất kể có bao nhiêu lò.
Ông giải thích,
Hệ thống tối ưu sẽ có hàng chục lò phản ứng như thế này, và đó là một vấn đề lớn cần giải quyết,
“Vì vậy, nếu bạn có thể tính toán điều đó cho một lò phản ứng duy nhất tại một thời điểm duy nhất, do đó không có sự phụ thuộc vào thời gian, và áp dụng điều đó cho tất cả các lò phản ứng tại mọi thời điểm trong chu kỳ, điều đó có thể giảm đáng kể khối lượng tính toán, theo nhiều cấp độ, trong khi vẫn duy trì độ chính xác giống như phương pháp dò tia Monte Carlo.”
Cho đến nay, công việc đã được thực hiện trong mô phỏng. Nhóm nghiên cứu hiện đang xây dựng một bản demo. Nếu họ có thể chứng minh rằng bản demo xác nhận hiệu quả nhiệt thành nhiên liệu được GREENER dự đoán, thì nó sẽ đánh dấu một bước tiến cho hydro nhiệt hóa học mặt trời.
Ông chỉ ra rằng,
Hai mươi phần trăm là mức bắt đầu khả thi về mặt thương mại, ít nhất là khi so sánh với các nguồn hydro xanh khác,
“Đó chỉ là khía cạnh thu hồi nhiệt. Nếu bạn loại bỏ oxy tốt hơn và tách hơi nước tốt hơn, nó có thể được đẩy lên 30%, nhưng cũng giống như khái niệm thu hồi nhiệt, chúng tôi cảm thấy nó có thể đạt tới 20 đến 25%. Các hệ thống hiện tại không bao gồm thu hồi nhiệt – hiệu suất của chúng thấp hơn 10%, vì vậy thu hồi nhiệt là phần lớn
