Термохимические циклы на основе Церерии
- Термохимический цикл на основе CERIA это тип двухэтапного термохимического цикла , который использует в качестве кислорода-оксидов церия (оксиды церия (оксид. / ) для производства синтетического топлива, таких как водород или синтез . [ 1 ] Эти циклы способны получить любой водород ( ) от расщепления молекул воды ( ), или также синтез, которая представляет собой смесь водорода ( ) и угарный окись ( ), также разделяя углекислый газ ( ) молекулы рядом с молекулами воды. [ 2 ] Этот тип термохимических циклов в основном изучается для концентрированных солнечных применений. [ 3 ]

Типы циклов
[ редактировать ]Эти циклы основаны на двухэтапном окислительно -восстановительном термохимическом цикле. На первом этапе оксид металла , такой как CERIA , уменьшается, обеспечивая тепло для материала, освобождая кислород . На втором этапе поток пара окисляет ранее полученную молекулу обратно в свою стартовое состояние, поэтому закрывает цикл. [ 1 ] В зависимости от стехиометрии реакций, которая является соотношением реагентов и продуктов химической реакции, эти циклы могут быть классифицированы в двух категориях. [ 4 ]
Стоихиометрический Цикл Цериал
[ редактировать ]Цикл Stoichiometric Ceria использует оксид церия (IV) (оксид (IV) ( ) и оксид церия (III) ( ) пары оксида металла в виде носителей кислорода. [ 5 ] Этот цикл состоит из двух шагов:
Шаг восстановления , чтобы освободить кислород ( ) из материала:
И стадия окисления , чтобы разделить молекулы воды на водород ( ) и кислород ( ) и/или молекулы углекислого газа ( ) в угарном окиси ( ) и кислород ( ):
- Реакция на производство водорода:
- Реакция на производство угарного газа:
Стадия восстановления - это эндотермическая реакция , которая происходит при температуре около 2300 К (2 027 ºC), чтобы обеспечить достаточное сокращение. Чтобы улучшить снижение материала, требуется низкое частичное давление кислорода. Чтобы получить эти низкие частичные давления , существует две основные возможности, либо путем вакуумной камеры реакторной камеры, либо с использованием химически инертного газа, такого как азот (азот ( ) или аргона ( ). [ 5 ]
С другой стороны, этап окисления представляет собой экзотермическую реакцию , которая может происходить в значительном диапазоне температур, от 400 ºC до 1000ºC. [ 6 ] В этом случае, в зависимости от полученного топлива, поток пара, углекислый газ или смесь обоих вводится в реакционную камеру для водорода, монооксида углерода или производства сингаза соответственно. Разница температур между двумя этапами представляет собой проблему для восстановления тепла, поскольку существующие твердые до твердых теплообменников не являются высокоэффективными. [ 7 ] [ 8 ]
Тепловая энергия, необходимая для достижения этих высоких температур, обеспечивается концентрированным солнечным излучением. Из -за высокого коэффициента концентрации, необходимого для достижения этих высоких температур, основными используемыми технологиями являются концентрация солнечных башен (CST) или параболических блюд . [ 3 ]
Основным недостатком цикла стехиометрического церия заключается в том, что температура реакции восстановления оксида (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) ) находится в том же диапазоне температуры плавления (1 687–2,230 ºC) оксида церия (IV) ( ), [ 5 ] что, в конце концов, приводит к некоторому плавлению и сублимации материала, который может создавать сбои реактора, такие как осаждение в окне или спекание частиц .
Нестучиометрический цикл Церии
[ редактировать ]Нестучиометрический цикл Ceria использует только оксид церия (IV) , и вместо того, чтобы полностью сводить его к следующей молекуле окисления, он выполняет частичное восстановление. Количество этого сокращения обычно выражается в качестве снижения и обозначается как Полем Таким образом, путем частичного уменьшения CERIA, в материале создаются кислородные вакансии. [ 9 ] Два шага сформулированы как таковые:
Реакция восстановления :
Реакция окисления :
- Для производства водорода:
- Для производства угарного газа:
Основным преимуществом этого цикла является то, что температура снижения ниже, около 1773 К (1500ºC), что облегчает высокую температуру некоторых материалов и избегает определенных проблем, таких как сублимация или спекание. [ 9 ] Температура выше этого приведет к снижению материала до следующей молекулы окисления, которой следует избегать.
Чтобы уменьшить тепловые потери цикла, необходимо оптимизировать разницу температур между камерами восстановления и окисления. Это приводит к частично окисленным состояниям, а не к полному окислению церии. Из -за этого химическая реакция обычно экспрессируется с учетом этих двух сокращений: [ 4 ]
Реакция восстановления:
Реакция окисления:
- Для производства водорода:
- Для производства угарного газа:
Основным недостатком этих циклов является низкая протяженность снижения из-за низкой нестехиометрии, следовательно, оставляя меньше вакансий для процесса окисления, что в конце концов приводит к снижению скорости производства топлива. [ 10 ]
Из -за свойств Ceria изучаются другие материалы, в основном перовскиты на основе Ceria, для улучшения термодинамических и химических свойств оксида металла. [ 11 ] [ 12 ]
Управляемый метаном нестехиометрический цикл Цериал
[ редактировать ]Поскольку температура, необходимые для достижения снижения материала, значительно высоки, снижение оксида церия может быть повышено, обеспечивая метатан для реакции. Это значительно снижает температуру, необходимые для достижения снижения церии, в диапазоне от 800 до 1000 ºC, а также производит синтез-синтез в восстановительном реакторе. [ 13 ] В этом случае реакция восстановления заключается в следующем:
Основными недостатками этого цикла является осаждение углерода на материале, которое в конечном итоге деактивирует его после нескольких циклов и необходимо заменить, и приобретение метана.
Типы реакторов
[ редактировать ]В зависимости от типа и топологии реакторов, [ 10 ] Циклы будут функционировать либо в непрерывном производстве, либо в производстве партии. Существует два основных типа реакторов для этих специфических циклов:
Монолитные реакторы
[ редактировать ]
Этот тип реакторов состоят на кусочке твердого материала, который формируется как сетчатая пористая пена (RPC) в другом, чтобы увеличить как площадь поверхности, так и проникновение солнечного излучения. [ 15 ] [ 16 ] Эти реакторы формируются как приемники полости, чтобы уменьшить тепловые потери из -за рерадиации. Они обычно учитываются в окне кварца (слитого кремнезема), чтобы позволить солнечному излучению внутри полости. [ 17 ]
Поскольку оксид металла является твердой структурой, обе реакции должны быть выполнены в одном и том же реакторе, что приводит к прерывистому производству, выполняя один шаг за другим. Чтобы избежать этого остановок во время производства, могут быть организованы несколько реакторов для приближения к непрерывному производству. Обычно это называется партийным процессом. Намерение состоит в том, чтобы всегда иметь одну или несколько реакторов, работающих на стадии окисления одновременно, следовательно, всегда генерируя водород. [ 18 ]
Изучаются некоторые новые концепции реактора, в которых RPC могут быть перемещены из одного реактора в другой, чтобы иметь один единственный восстановительный реактор. [ 19 ]
Твердые частицы реакторы
[ редактировать ]Этот тип реакторов пытается решить проблему разрыва цикла, используя твердые частицы оксида металла вместо наличия твердых структур. Эти частицы могут быть перемещены от восстановительного реактора в реактор окисления, что позволяет непрерывному производству топлива. Многие типы реакторов работают с твердыми частицами, от свободных падающих приемников до упакованных слоев , псевдоожиженных слоев или вращающихся печей . [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
Основным недостатком этого подхода является то, что из -за достигнутых высоких температур твердые частицы подвержены спеканию, который представляет собой процесс, при котором мелкие частицы тают и прилипают к другим частицам, создавая большие частицы, что уменьшает их площадь и площадь трудный процесс транспорта.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный Ле Гал, Алекс; Джульбе, Энн; Абанадс, Стефан (январь 2023 г.). «Термохимическая активность одно- и двухфазных оксидных соединений на основе Ceria, ферритов и перовскитов для двухэтапного производства синтетического топлива» . Молекулы . 28 (11): 4327. doi : 10.3390/molecules28114327 . ISSN 1420-3049 . PMC 10254557 . PMID 37298803 .
- ^ Фурлер, Филипп; Шефф, Джонатан Р.; Steinfeld, Aldo (2012). «Производство Syngas путем одновременного расщепления H2O и CO 2 с помощью окислительно-восстановительных реакций Ceria в высокотемпературном солнечном реакторе» . Энергетическая среда. Наука 5 (3): 6098–6103. doi : 10.1039/c1ee02620h . ISSN 1754-5692 .
- ^ Jump up to: а беременный Сместад, Грег П.; Steinfeld, Aldo (2012-09-19). «Обзор: фотохимическое и термохимическое производство солнечного топлива от H 2 O и CO 2 с использованием катализаторов оксида металлов» . Исследования промышленной и инженерной химии . 51 (37): 11828–11840. doi : 10.1021/IE3007962 . ISSN 0888-5885 .
- ^ Jump up to: а беременный Лу, ты -джун; Чжу, Лия; Аграфиотис, Христос; Вьетен, Джосуа; Роуб, Мартин; Саттлер, Кристиан (ноябрь 2019). «Производство солнечного топлива: двухэтапные термохимические циклы с оксидами на основе церия» . Прогресс в области энергии и сжигания . 75 : 100785. Bibcode : 2019pecs ... 7500785L . doi : 10.1016/j.pecs.2019.100785 .
- ^ Jump up to: а беременный в Абанадс, Стефан; Flamant, Жиль (декабрь 2006 г.). «Термохимическое производство водорода из двухступенчатого солнечного цикла расщепления воды на основе оксидов церия» . Солнечная энергия . 80 (12): 1611–1623. Bibcode : 2006soen ... 80.1611a . doi : 10.1016/j.solener.2005.12.005 .
- ^ Гокон, Нобуюки; Сагава, Сачи; Кодама, Тацуя (ноябрь 2013 г.). «Сравнительное исследование активности оксида церия при температурах термического восстановления 1300–1550 ° C для солнечного термохимического двухступенчатого цикла расщепления воды» . Международный журнал водородной энергии . 38 (34): 14402–14414. Bibcode : 2013ijhe ... 3814402g . doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.08.108 .
- ^ Аграфиотис, Христос; Пейн, Матиас; Giasafaki, Dimitra; Тескари, Стефания; Роуб, Мартин; Саттлер, Кристиан (2019-04-01). «Солнечная термохимия на основе окислительно-восстановительных оксидов и ее материализация с концепциями реактора/теплообменника для эффективного сбора, трансформации и хранения солнечной энергии» . Журнал солнечной энергии . 141 (2). doi : 10.1115/1.4042226 . ISSN 0199-6231 .
- ^ Бренделбергер, Стефан; Хольцемер-Рэнерхусен, Филипп; фон Сторх, Хенрик; Саттлер, Кристиан (2019-04-01). «Оценка эффективности системы резубции тепла для монолитных приемника-реакторов» . Журнал солнечной энергии . 141 (2). doi : 10.1115/1.4042241 . ISSN 0199-6231 .
- ^ Jump up to: а беременный Чуэ, Уильям С.; Смешиваться, Кристоф; Эббот, Мэнди; Scipio, Danien; Фурлер, Филипп; Haile, Sossina M.; Steinfeld, Aldo (2010-12-24). «Термохимическая диссоциация с высоким содержанием солнечной энергии CO 2 и H 2 o с использованием неациометрической церии» . Наука . 330 (6012): 1797–1801. doi : 10.1126/science.1197834 . ISSN 0036-8075 . PMID 21205663 .
- ^ Jump up to: а беременный Koepf, E.; Alxneit, я.; Wieckert, C.; Meier, A. (2017-02-15). «Обзор высокотемпературной технологии реакторов, управляемых солнечной энергией: 25 -летний опыт работы в исследованиях и разработках в Институте Пола Шеррера» . Прикладная энергия . 188 : 620–651. Bibcode : 2017apen..188..620K . doi : 10.1016/j.apenergy.2016.11.088 . ISSN 0306-2619 .
- ^ Шефф, Джонатан Р.; Steinfeld, Aldo (2012-03-15). «Термодинамический анализ оксидов на основе церия для производства солнечного термохимического топлива» . Энергия и топливо . 26 (3): 1928–1936. doi : 10.1021/ef201875v . ISSN 0887-0624 .
- ^ Ле Гал, Алекс; Abanades, Stéphane (2012-06-28). «Включение легирования в Ceria для повышения активности с распылением воды во время солнечной термохимической генерации водорода» . Журнал физической химии c . 116 (25): 13516–13523. doi : 10.1021/jp302146c . ISSN 1932-7447 .
- ^ Кренцке, Питер Т.; Дэвидсон, Джейн Х. (2014-06-19). «Термодинамический анализ продукции синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-музыки через солнечный термохимический окислительный цикл оксида церия с восстановлением, управляемым метаном» . Энергия и топливо . 28 (6): 4088–4095. doi : 10.1021/ef500610n . ISSN 0887-0624 .
- ^ Зубер, Марио; Патриарх, Мориц; Аккерманн, Саймон; Фурлер, Филипп; Conceição, Ricardo; Гонсалес Агилар, Хосе; Ромеро, Мануэль; Steinfeld, Aldo (2023-04-11). «Метановое сухое реформирование с помощью окислительно-восстановительного цикла на основе Ceria в концентрирующей солнечной башне» . Устойчивая энергия и топливо . 7 (8): 1804–1817. Doi : 10.1039/d2se01726a . ISSN 2398-4902 .
- ^ Чо, HS; Gokon, N.; Kodama, T.; Кан, да; Ли, HJ (январь 2015 г.). «Улучшенная работа солнечного реактора для двухступенчатого водосбережения H 2 производства с помощью керамической пены с покрытием Ceria» . Международный журнал водородной энергии . 40 (1): 114–124. doi : 10.1016/j.ijhydene.2014.10.084 .
- ^ Takacs, M.; Ackermann, S.; Бонк, А.; Neiss-von Puttkamer, M.; Haueter, Ph.; Шефф, младший; Vogt, uf; Steinfeld, A. (апрель 2017 г.). «Расщепление CO 2 с окислительно-восстановительным циклом на основе CERIA в солнечном термогравиметрическом анализаторе» . AISHE Journal . 63 (4): 1263–1271. Bibcode : 2017aiche..63.1263t . doi : 10.1002/aic.15501 . ISSN 0001-1541 . PMC 5367271 . PMID 28405030 .
- ^ Lorentzou, Souzana; Zygogianni, Александра; Пагкура, Крисула; Карагиннакис, Джордж; Konstandopoulos, Athanasios G.; Сак, Ян Питер; Брейер, Стефан; Ланге, Матиас; Лапп, Джастин; Фенд, Томас; Роуб, Мартин; Гонсалес, Аурелио Хосе; Дельгадо, Альфонсо Видал; Брауэр, Ян Питер; Makkus, Robert C. (2018). «Гидрозольный завод: структурированные окислительно-восстановительные реакторы для производства H2 из солнечного термохимического расщепления H2O» . Солнечные . AIP Conference Conference. 2033 : 130010. DOI : 10.1063/1.5067144 .
- ^ Schäppi, Remo; Хюслер, Вивьен; Steinfeld, Aldo (2024-02-28). «Солнечное термохимическое производство синтез -синтез -файлов из H 2 O и CO 2 ─ Экспериментальное параметрическое исследование, управление и автоматизацию» . Исследования промышленной и инженерной химии . 63 (8): 3563–3575. doi : 10.1021/acs.iecr.3c03044 . HDL : 20.500.11850/660384 . ISSN 0888-5885 .
- ^ Бренделбергер, Стефан; Хольцемер-Рэнерхусен, Филипп; Вега Пуга, Эстефания; Роуб, Мартин; Саттлер, Кристиан (март 2022 г.). «Изучение новой системы полости приемника с несколькими мобильными окислительно-восстановительными единицами для солнечного термохимического расщепления воды» . Солнечная энергия . 235 : 118–128. Bibcode : 2022soen..235..118b . doi : 10.1016/j.solener.2022.02.013 . ISSN 0038-092X .
- ^ Kodama, T.; Gokon, N.; Matsubara, K.; Йошида, К.; Koikari, S.; Nagase, Y.; Накамура, К. (2014). «Измерение потока новой системы концентрации солнечной энергии в Миядзаки для демонстрации термохимических реакторов расщепления воды» . Энергетические процедуры . 49 : 1990–1998. Bibcode : 2014enpro..49.1990K . doi : 10.1016/j.egypro.2014.03.211 . ISSN 1876-6102 .
- ^ Etori, t.; Gokon, N.; Takeuchi, A.; Мики, Т.; Yokota, M.; Kodama, T. (май 2015). «Контроль потока материалов слоя в реактор с жидким слоем для солнечного термохимического процесса» . Энергетические процедуры . 69 : 1741–1749. Bibcode : 2015enpro..69.1741e . doi : 10.1016/j.egypro.2015.03.143 . ISSN 1876-6102 .
- ^ Милан, Марко; Колангело, Гианпиеро; Якобаззи, Фабрицио; Де Риси, Артуро (февраль 2017 г.). «Моделирование двойного петлевого плавника солнечного реактора для эффективного производства термохимического топлива» . Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы . 160 : 174–181. BIBCODE : 2017SEMSC.160..174M . doi : 10.1016/j.solmat.2016.10.028 .
- ^ Аррибас, Люсия; Гонсалес-Агилар, Хосе; Ромеро, Мануэль (2018-09-15). «Термохимическая вода, управляемая солнечной энергией, оксидом церия: определение условий эксплуатации в непосредственно облученном реакторе с фиксированным слоем» . Энергии . 11 (9): 2451. DOI : 10.3390/en11092451 . ISSN 1996-1073 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Проект гидросола . Получено 07/07/2024
- Солнце к жидкому проекту Получено 11/07/2024