Pesquisadores internacionais de energia solar térmica testaram com sucesso CONTISOL, um reator solar que funciona com ar, capaz de produzir qualquer combustível solar, como hidrogênio, e funcionar de dia ou de noite - porque usa energia solar concentrada (CSP), que pode incluir armazenamento de energia térmica.

A promessa dos combustíveis solares é que poderíamos ter combustíveis com zero de carbono, como o hidrogênio, sem as emissões de carbono prejudiciais ao clima necessárias para produzir hidrogênio a partir do gás natural hoje, portanto, aperfeiçoar os reatores solares é a chave para um futuro com energia 100% limpa.

Em vez de queimar um combustível fóssil para obter o calor necessário para conduzir o processo de química térmica, para reações químicas como a divisão de H2 (hidrogênio) de H2O, cientistas têm testado vários tipos de reatores aquecidos pela forma térmica de energia solar, CSP, que usa espelhos para concentrar o fluxo solar em um receptor.

Para atingir o calor de carbono zero para reações termoquímicas - que podem operar em temperaturas de até 1, 500 C - os especialistas veem o calor direto do CSP como uma fonte de energia limpa mais eficiente do que a eletricidade fotovoltaica ou eólica.

Haverá um suprimento ilimitado de luz solar ao longo dos séculos, e sem consequências climáticas quando a termoquímica é impulsionada pela energia solar. A única desvantagem em comparação com a queima de energia fóssil, é que o sol se põe à noite.

Solar noturno

Agora, um grupo de cientistas do Centro Aeroespacial Alemão (DLR) apoiado pelo Laboratório de Tecnologia de Aerossóis e Partículas da CPERI / CERTH Grécia construiu e testou um novo projeto de reator solar que inclui armazenamento para que possa fornecer calor ininterrupto como o atual método de queima fóssil, mas sem as emissões.

Seu papel, Fabricação e teste de CONTISOL:Um novo reator-receptor para termoquímica solar diurna e noturna foi publicado em dezembro de 2017, no Engenharia Térmica Aplicada .

"Antigamente, os reatores solares tinham o problema do que você fazia à noite quando não tinha sol, ou mesmo quando as nuvens passam, "disse o autor principal do jornal, Justin Lapp, anteriormente de DLR, e agora é Professor Assistente de Engenharia Mecânica na University of Maine.

Lapp explicou que quando a temperatura cai, a reação pode precisar ser interrompida ou a taxa de fluxo dos reagentes reduzida, reduzindo a quantidade de produtos que você sai. Se o reator desligar à noite, ele esfria, não apenas desperdiçando calor residual, mas começando do nada na manhã seguinte.

Como funciona

"Portanto, a ideia principal do CONTISOL era construir dois reatores juntos, "ele disse." Um onde a luz solar está diretamente fazendo o processamento químico. O outro lado para armazenar energia. Nos canais químicos, as altas temperaturas do material conduzem a reação química e você obtém uma mudança de reagentes para produtos dentro desses canais, e nos canais de ar o ar mais frio vai pela frente e o ar mais quente sai pela parte de trás. "

Ao combinar recursos de armazenamento com um reator termoquímico solar direto, eles obtêm o melhor dos dois mundos, temperaturas estáveis ​​o tempo todo, mas também a fonte de calor mais eficiente para realizar reações porque é direta, portanto, "você não tem tantas perdas com várias etapas entre a luz do sol e a química que está acontecendo".

CONTISOL usa um receptor ao ar livre, com base no receptor volumétrico de ar operado em sua torre solar de teste em Julich por DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), que pode aquecer o ar a 1, 100 C. Lá, um receptor ao ar livre pega o ar da atmosfera e o puxa através de pequenos canais em um material monolítico.

"O nosso é um receptor de ar volumétrico como este, "disse Lapp." O centro é um monólito extrudado; um grande cilindro com muitos canais retangulares menores. Qualquer outra linha de canais é usada para química ou para a passagem de ar pelo monólito. Esses canais são abertos para a frente para permitir que a luz solar entre e aqueça este material monolítico. "

O teste original usou carboneto de silício para o receptor multicanal, mas os cientistas planejam experimentar o Inconel, uma liga de metal mais dura para o receptor.

"O carboneto de silício é um pouco difícil de fabricar porque não pode ser usinado tão bem quanto um metal. Portanto, obter tolerâncias muito estreitas pode ser difícil. Não é muito caro, mas não é o material mais fácil de trabalhar na fabricação, "ele relatou.

As temperaturas entre 800-900 C são necessárias para reorganizar as moléculas de água ou hidrocarbonetos na maioria dos combustíveis solares, então essa era a meta de temperatura. O reator protótipo operou com sucesso a 850 C em escala de laboratório:5 kW.

CONTISOL foi testado em Colônia, Alemanha usando 'sóis' simulados, em vez de um campo solar real, e o armazenamento e trocador de calor também foram simulados, como o próprio reator é a inovação.

“Esta escala é um protótipo científico simplesmente para entendermos como controlá-la. Não seria comercializada a 5 kW, "disse ele." Comercialmente, 1-5 MW seria o menor para reatores em escala industrial, e eles podem ser dimensionados para 100 MW ou até maiores. "

"No nosso caso, estamos fazendo a reforma do metano como exemplo. Mas não está ligado ao metano, ele poderia produzir qualquer quantidade de combustíveis solares. Um interessante é a produção de hidrogênio a partir do ácido sulfúrico como material de ciclagem. Quando você evapora o ácido sulfúrico a cerca de 400 C em vapor e SO3, não é corrosivo, então você pode até usar componentes de aço inoxidável. "

Por que o ar como meio de transferência de calor?

Transferir o calor no ar abre opções para sistemas de armazenamento de alta eficiência, como armazenamento termoquímico ou armazenamento de calor latente em cobre ou ligas de cobre que fundem entre 900 - 1100 C.

As vantagens do ar são que ele é acessível, disponível gratuitamente e abundante. O ar não é corrosivo, e qualquer vazamento seria irrelevante, então não precisa estar contido em um loop fechado, ele explicou.

"Ele pode puxar o ar para fora da atmosfera e, em seguida, conduzi-lo através do trocador de calor para armazenar o calor. E então ele pode liberar o ar assim que esfriar."

Com outros materiais de transferência de calor, "você tem que garantir que o sistema está lacrado em todos os lugares e se você perder algum, deve comprar mais para recuperá-lo. Com o ar, você não tem esse problema."

Ao contrário de muitos meios de transferência de calor, que pode mudar sua estrutura molecular em altas temperaturas, o ar permanece estável em altas temperaturas.

Contudo, um receptor de ar parece descartar reações químicas com líquidos como água. Não tão, disse Lapp.

"Existem muito poucos líquidos que permanecem líquidos na faixa de 600 a 800 graus nos quais estamos interessados, Ele explicou. “A maioria das reações químicas com as quais lidamos é com gases como o metano ou com materiais sólidos como reações de óxido de metal.

Mesmo a divisão da água é feita em uma temperatura tão alta que a água não é líquida, mas vapor.

"A água que já entra na forma de vapor torna muito mais fácil projetar o receptor. Você não tem os problemas de expansão do vapor enquanto está fervendo. É mais fácil mantê-lo à prova de vapor do que líquido, "disse ele. Então, para preparar a água para a divisão, primeiro seria fervido para vaporizar bem na torre.

"Nestes reatores solares de alta temperatura, o ponto central da torre, onde todos os espelhos se concentram, é o melhor para a química de alta temperatura. Temos um fluxo muito alto no centro para chegar a 600-800 C. Mas sempre há um monte de radiação desperdiçada do lado de fora; ainda há luz suficiente para aquecer até 200 - 300 C, não o suficiente para a química, mas bastante para evaporar a água em vapor, "Lapp apontou.

Os primeiros reatores termoquímicos eram nucleares

A pesquisa sobre o uso de reatores para realizar a termoquímica originou-se nos anos 60 com a energia nuclear, mas foi abandonado quando os pesquisadores não conseguiram fazer com que as reações nucleares atingissem as temperaturas necessárias. Muito poucos projetos de reatores nucleares foram capazes de atingir 800 C.

Mas, mais recentemente, reatores solares assumiram esta pesquisa em termoquímica, baseado no calor solar em vez do nuclear. Já estão atingindo temperaturas entre 800 C e 1500 C na escala piloto, usando luz solar altamente concentrada.

Os reatores solares não incluem o grande bloco de energia de uma usina CSP, que é uma central termelétrica completa produzindo eletricidade (exceto com o calor fornecido pelo sol). Os reatores solares não precisam da grande turbina ou gerador para produzir eletricidade, mas consistem apenas em uma torre, um campo solar, um receptor e a câmara de reação. Para isso, CONTISOL adiciona um sistema de armazenamento, transferir o calor do ar para o trocador de calor.

Para produzir hidrogênio, por exemplo, Um reator solar do tipo CONTISOL compreenderia um campo solar de helióstatos (espelhos), uma torre, um receptor de ar e o armazenamento de calor. Os espelhos refletem a luz do sol no receptor de ar; aquecer o ar em dois conjuntos de pequenas câmaras, direcionando o ar para a câmara de reação para a reação termoquímica, ou para o armazenamento de calor.

O hidrogênio poderia então ser usado em mais reações - se você o armazenasse para mantê-lo quente durante a noite - ou você o canalizaria para fora da câmara de reação na torre para ser comprimido, encher um tanque, e expulsá-lo.