Les chercheurs ont construit un nouveau modèle dynamique montrant comment l'hydrogène produit avec de l'énergie solaire thermique concentrée peut être fabriqué de manière plus continue grâce à une nouvelle stratégie de contrôle saisonnier avec ceria (CeO 2 ) particules amortissant l'effet de variation du rayonnement solaire.

Un document, "Modèle dynamique d'une usine de production continue d'hydrogène basée sur le PDG 2 Cycle thermochimique, " présenté à la conférence annuelle SolarPACES2017, propose d'utiliser des particules de cérine non seulement comme réactif redox dans la production d'hydrogène, mais aussi pour le stockage de chaleur et les supports (ou médium) de transfert de chaleur pour contrôler les températures.

L'hydrogène peut être produit en séparant l'eau (H 2 O en H 2 et l'oxygène) à des températures très élevées en utilisant le solaire thermique à concentration (CST) - évitant l'utilisation actuelle de combustibles fossiles pour la production d'hydrogène. En utilisant des miroirs réfléchissant la lumière solaire focalisée sur un récepteur, Le CST peut générer des températures très élevées pour les procédés thermochimiques dans un réacteur solaire, jusqu'à 2, 000°C, et peut stocker l'énergie solaire thermiquement afin qu'il puisse distribuer l'énergie en cas de besoin.

La plupart des processus industriels nécessitent des conditions continues pour pouvoir contrôler les produits finaux à une composition spécifique et optimiser le fonctionnement avec la plus grande efficacité possible. Les supports commerciaux de stockage d'énergie thermique tels que les sels fondus sont limités à des températures inférieures à 600 °C, ils ne conviennent donc pas aux processus à haute température tels que la production thermochimique solaire d'hydrogène. Mais ceria (PDG 2 ), qui est déjà utilisé dans un réacteur solaire à très haute température pour produire de l'hydrogène, peut être utilisé comme support de stockage thermique en plus d'être un réactif.

Les chercheurs Alicia Bayon et Alberto de la Calle de l'Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) ont créé un modèle dynamique montrant la production d'hydrogène toute l'année avec de l'oxyde de cérium. Ils modélisent un moyen de stocker l'énergie dans les particules d'oxyde de cérium, ajustement pour la variation quotidienne du rayonnement solaire avec des contrôles saisonniers, produire un flux continu d'hydrogène.

"Il y a d'autres chercheurs qui ont également proposé un réacteur de particules de cérine, " dit Bayon, le co-auteur de l'article. "Notre principale contribution est que nous avons développé un modèle dynamique de tous les composants ensemble pour prouver que ce système peut fonctionner dans des conditions solaires réelles."

« Dans notre travail, nous avons développé un modèle dynamique pour reproduire comment différents composants peuvent fonctionner dans des conditions solaires réelles. Nous devions corriger l'effet de la variation de la ressource solaire quotidiennement et sur l'année. Nous avons également proposé une configuration du système et une stratégie de contrôle pour produire un flux continu d'hydrogène."

« Nous pensons qu'à l'avenir, si un système peut être développé comme celui-ci, l'efficacité réelle du processus lui-même pourrait être très élevée par rapport aux efficacités que les gens voient actuellement avec les réacteurs à lit fixe, de 5,25 %."

Bayon et de la Calle proposent une nouvelle conception d'usine pour la production d'hydrogène en continu utilisant de la cérine dans les particules

L'une des façons de produire de l'hydrogène thermochimique solaire est un processus redox en deux étapes qui divise l'eau en hydrogène (H 2 O en H 2 .) Ce procédé utilise de la cérine (CeO 2 ) en tant que matériau redox et a été testé expérimentalement dans un «lit fixe» en tant que mousse poreuse solide et immobile dans le réacteur, avec les gaz qui le traversent pour effectuer la réaction.

Le défi de l'opération à lit fixe est de maintenir la production d'hydrogène constante en assurant des changements de température après l'achèvement des différentes étapes du processus. "Si vous devez refroidir et chauffer les réacteurs et les réservoirs tous les jours, vous devrez également dépenser de l'énergie pour cela afin que votre efficacité diminue, " dit Bayon.

Des recherches antérieures se sont concentrées sur le contrôle de la lumière solaire réfléchie en modulant d'une manière ou d'une autre la lumière des héliostats lorsqu'il y a "trop" de rayonnement solaire dépassant les besoins en température de la première étape d'environ 1500°C. Et dans ce modèle aussi, La défocalisation partielle de l'héliostat permet également d'éviter que les températures ne deviennent trop élevées dans le récepteur/réacteur. Mais cela signifie essentiellement jeter de l'énergie utilisable.

Au lieu, ils modélisent le contrôle des variations journalières et saisonnières de l'énergie solaire au cours de l'année, en utilisant l'oxyde de cérium non seulement comme réactif, mais aussi comme moyen de transfert de chaleur et de stockage de chaleur, sous forme de particules. La maîtrise du débit des particules de cérine permet de maîtriser la chaleur absorbée dans le réacteur thermochimique solaire, pour une plus grande efficacité.

Bayon a expliqué pourquoi. "Dans un lit fixe, la quantité de cérine est toujours la même, la mousse de cérium peut être «activée» une fois par jour. Une fois que la cérine est active pour la production d'hydrogène, les héliostats doivent être défocalisés pour effectuer la réaction de fractionnement de l'eau. Au lieu, nous avons utilisé du dioxyde de cérium comme produit chimique solide dans les particules, comme une poudre ou du sable, donc les particules sont chauffées au niveau du récepteur, stocké au chaud et utilisé pour produire de l'hydrogène en cas de besoin. Ils sont également recirculés dans le système et le flux de particules ne s'arrête jamais. De cette façon, nous pouvons continuer à chauffer les particules, prélever le maximum d'énergie solaire disponible au niveau du récepteur, les stocker dans un réservoir et plus tard, les utiliser dans la réaction redox pour produire de l'hydrogène. De cette façon, les particules d'oxyde de cérium utilisent l'énergie solaire plus efficacement.

Comment ça fonctionne

Bayon et de la Calle modélisent un procédé qui utiliserait des particules de cérine, traversant le récepteur à chauffer, sur des réservoirs où la masse de particules de type sable peut être stockée, puis envoyées vers des convoyeurs à particules qui régulent le débit et contrôlent ainsi les températures des réacteurs de l'étape 1 et de l'étape 2. Une stase continue est atteinte.

"D'un réservoir, la cérine va au premier réacteur puis elle va à l'autre réservoir. Lorsque le niveau du réservoir un diminue, réservoir deux niveaux augmente, donc au fil de l'année - et chaque jour - ça monte et ça descend, selon combien nous actionnons le récepteur et le comburant, " elle a expliqué.

"C'est probablement l'un des plus grands défis d'ingénierie, car nous devons transporter les particules à haute température, et nous devons également garder le système exempt d'oxygène."

Lorsque les particules arrivent au deuxième réacteur pour l'étape d'oxydation, ce qui est exothermique (il dégage de la chaleur) ils sont encore très chauds, à cause de l'inertie thermique.

"Nous aimerions donc ne pas mettre d'énergie dans le réacteur oxydant car notre efficacité va diminuer. Dans le comburant, nous devons faire un compromis entre fonctionner à température constante et être efficace. Nous faisons fonctionner le comburant à une température plus basse que le récepteur. Alors si c'est possible, nous n'utilisons aucune source d'énergie supplémentaire en dehors de la chaleur de réaction et de la chaleur sensible emmagasinée dans les particules d'oxyde de cérium. L'utilisation d'énergie supplémentaire entraînera des pertes d'énergie; l'efficacité du processus diminuera, " a-t-elle souligné.

"Il a un contrôleur de refroidissement parce que nous voulons contrôler la température au niveau de l'oxydant pour qu'elle soit constante, ce qui aide également à maintenir le taux de production d'hydrogène constant. Cependant, nous devons également contrôler le débit de particules de cérine dans le réacteur oxydant, ce qui implique un défi supplémentaire. Nous travaillons actuellement sur une nouvelle stratégie de contrôle pour essayer de maintenir des variations inférieures à 20 % sur la production d'hydrogène sur une année d'exploitation."

La modélisation des technologies de pointe est un défi

Récemment, les récepteurs de particules ont attiré l'attention de la recherche en raison des avantages potentiels d'efficacité.

Mais le traitement thermochimique solaire à base de particules est à la pointe de la recherche sur les combustibles solaires, créer un défi. Un modèle doit être basé sur la vie réelle, dit Bayon. "Le principal défi auquel vous êtes confronté est de démontrer que votre modèle reproduit la réalité. Pour moi, si un modèle n'est pas réaliste, il n'est pas utile."

"C'était assez difficile de le rendre vraiment réaliste parce que vous avez besoin de données expérimentales pour valider le modèle. Certains modèles pouvaient être validés mais d'autres non, car nous n'avons pas d'installations expérimentales au moins à cette échelle, " elle a dit.

"En supposant que vous connaissiez tous les phénomènes physiques et chimiques impliqués dans les processus, le principal défi est qu'il faut aussi reproduire le comportement réel de l'équipement lui-même. C'est l'une des choses les plus difficiles lorsque vous développez un modèle. Surtout dans la production d'hydrogène thermochimique solaire car il n'y a pas encore d'usines commerciales développées."

Pourtant, ce sont des modèles théoriques comme celui-ci qui sont les précurseurs nécessaires de l'expérimentation.