p Os pesquisadores construíram um novo modelo dinâmico mostrando como o hidrogênio produzido com energia térmica solar concentrada pode ser feito de forma mais contínua por meio de uma nova estratégia de controle sazonal com céria (CeO ₂ ) partículas que protegem o efeito da variação da radiação solar. p Um papel, "Modelo Dinâmico de uma Planta de Produção Contínua de Hidrogênio Baseada em CeO ₂ Ciclo Termoquímico, "apresentado na Conferência Anual SolarPACES2017, propõe o uso de partículas de céria não apenas como o reagente redox na produção de hidrogênio, mas também para armazenamento de calor e mídia de transferência de calor (ou meio) para controlar as temperaturas.

p O hidrogênio pode ser produzido pela divisão da água (H ₂ O em H ₂ e oxigênio) em temperaturas muito altas usando energia térmica solar concentrada (CST) - evitando o uso atual de combustíveis fósseis para a produção de hidrogênio. Usando espelhos que refletem a luz solar focada em um receptor, CST pode gerar temperaturas muito altas para processos termoquímicos em um reator solar, até 2, 000 ° C, e pode armazenar energia solar termicamente para que possa despachá-la quando necessário.

p A maioria dos processos industriais requer condições contínuas para poder controlar os produtos finais com uma composição específica e otimizar a operação com a maior eficiência possível. Os meios de armazenamento de energia térmica comercial, como sais fundidos, são limitados a temperaturas abaixo de 600 ° C, portanto, não são adequados para processos de alta temperatura, como a produção de hidrogênio termoquímico solar. Mas ceria (CeO ₂ ), que já é usado em um reator solar em uma temperatura muito alta para produzir hidrogênio, pode ser usado como meio de armazenamento térmico além de ser um reagente.

p Os pesquisadores Alicia Bayon e Alberto de la Calle da Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Comunidade da Austrália (CSIRO) criaram um modelo dinâmico que mostra a produção de hidrogênio com céria durante todo o ano. Eles modelam uma maneira de armazenar a energia em partículas de céria, ajustar para variação diária na radiação solar com controles sazonais, para produzir um fluxo contínuo de hidrogênio.

p “Há outros pesquisadores que também propuseram um reator de partículas de céria, "disse Bayon, o co-autor do artigo. "Nossa principal contribuição é que desenvolvemos um modelo dinâmico de todos os componentes juntos para provar que este sistema pode funcionar em condições reais do sol."

p “No nosso trabalho, desenvolvemos um modelo dinâmico para reproduzir como diferentes componentes podem funcionar em condições solares reais. Precisávamos corrigir o efeito da variação do recurso solar diariamente e ao longo do ano. Também propusemos uma configuração de sistema e uma estratégia de controle para produzir um fluxo contínuo de hidrogênio. "

p "Achamos que, no futuro, se um sistema puder ser desenvolvido como este, a eficiência real do próprio processo poderá ser muito alta em comparação com as eficiências que as pessoas estão vendo agora com reatores de leito fixo, de 5,25%. "

p Bayon e de la Calle propõem um novo projeto de planta para a produção contínua de hidrogênio usando cério em partículas

p Uma das maneiras de fazer hidrogênio termoquímico solar é em um processo redox de duas etapas que divide a água em hidrogênio (H ₂ O em H ₂ .) Este processo usa ceria (CeO ₂ ) como um material redox e foi experimentalmente testado em um 'leito fixo' como uma espuma porosa sólida imóvel no reator, com os gases passados ​​por ele para realizar a reação.

p O desafio da operação de leito fixo é manter a produção de hidrogênio constante, garantindo mudanças de temperatura após a conclusão das etapas individuais do processo. "Se você tiver que resfriar e aquecer os reatores e os tanques todos os dias, também terá que gastar energia fazendo isso para que sua eficiência diminua, "disse Bayon.

p Pesquisas anteriores se concentraram no controle da luz solar refletida de alguma forma modulando a luz dos helióstatos quando há "muita" radiação solar ultrapassando as necessidades de temperatura da primeira etapa de cerca de 1500 ° C. E neste modelo também, a desfocagem heliostática parcial também ajuda a evitar que as temperaturas fiquem muito altas no receptor / reator. Mas isso significa essencialmente jogar fora energia utilizável.

p Em vez de, eles modelam o controle da variação diária e sazonal da energia solar ao longo do ano, usando céria não apenas como reagente, mas também como meio de transferência e armazenamento de calor, em forma de partícula. O controle da taxa de fluxo das partículas de céria ajuda a controlar o calor absorvido no reator termoquímico solar, para maior eficiência.

p Bayon explicou por quê. "Em um leito fixo a quantidade de céria é sempre a mesma, a espuma de ceria pode ser 'ativada' uma vez por dia. Uma vez que a céria esteja ativa para a produção de hidrogênio, os heliostatos devem ser desfocados para realizar a reação de divisão da água. Em vez de, usamos dióxido de cério como um produto químico sólido em partículas, como um pó ou areia, então as partículas são aquecidas no receptor, armazenado quente e usado para produzir hidrogênio quando necessário. Eles também são recirculados pelo sistema e o fluxo de partículas nunca para. Assim podemos continuar aquecendo as partículas, pegando a quantidade máxima de energia solar disponível no receptor, armazene-os em um tanque e depois, use-os na reação redox para produzir hidrogênio. Desta maneira, as partículas de céria usam a energia solar de forma mais eficiente. "

p Como funciona

p Bayon e de la Calle modelam um processo que usaria partículas de céria, fluindo através do receptor para ser aquecido, em tanques onde a massa de partículas semelhantes a areia pode ser armazenada, e então enviados para transportadores de partículas que regulam a taxa de fluxo e, assim, controlam as temperaturas nos reatores da etapa um e da etapa dois. Uma estase contínua é alcançada.

p "De um tanque, a céria vai para o primeiro reator e depois vai para o outro tanque. Quando o nível do tanque um diminui, aumentos de nível do tanque dois, então, ao longo do ano - e todos os dias - ele sobe e desce, dependendo de quanto operamos o receptor e o oxidante, " ela explicou.

p "É provavelmente um dos maiores desafios da engenharia, porque temos que transportar as partículas em altas temperaturas, e temos que manter o sistema livre de oxigênio também. "

p Quando as partículas chegam ao segundo reator para a etapa de oxidação, que é exotérmico (emite calor), eles ainda estão muito quentes, por causa da inércia térmica.

p "Portanto, não gostaríamos de colocar energia no reator oxidante porque nossa eficiência diminuirá. No oxidante, temos que fazer um compromisso entre operar em temperatura constante e ser eficiente. Operamos o oxidante em temperatura mais baixa do que o receptor. Então, se for possível, não usamos nenhuma fonte adicional de energia além do calor de reação e do calor sensível armazenado nas partículas de céria. O uso de energia adicional levará a perdas de energia; a eficiência do processo diminuirá, "ela apontou.

p “Ele tem um controlador de resfriamento porque queremos que a temperatura no oxidante seja constante, o que ajuda a manter a taxa de produção de hidrogênio constante também. No entanto, também precisamos controlar a taxa de fluxo das partículas de céria no reator oxidante, o que implica um desafio adicional. Atualmente, estamos trabalhando em uma nova estratégia de controle para tentar manter as variações abaixo de 20% na produção de hidrogênio ao longo de um ano de operação. "

p Modelar tecnologias de ponta é um desafio

p Recentemente, os receptores de partículas têm chamado a atenção da pesquisa devido às vantagens potenciais de eficiência.

p Mas o processamento termoquímico solar baseado em partículas está na vanguarda da pesquisa de combustível solar, criando um desafio. Um modelo deve ser baseado na vida real, disse Bayon. "O principal desafio que você enfrenta é demonstrar que seu modelo reproduz a realidade. Para mim, se um modelo não é realista, não é útil."

p "Foi muito difícil torná-lo realmente realista porque você precisa de dados experimentais para validar o modelo. Alguns dos modelos podem ser validados, mas outros não, porque não temos instalações experimentais pelo menos nesta escala, " ela disse.

p "Supondo que você conheça todos os fenômenos físicos e químicos envolvidos nos processos, o principal desafio é que você também tem que reproduzir o comportamento real do próprio equipamento. Essa é uma das coisas mais difíceis quando você desenvolve um modelo. Especialmente na produção de hidrogênio termoquímico solar, pois ainda não há plantas comerciais desenvolvidas. "

p No entanto, são modelos teóricos como esse os precursores necessários da experimentação.