Reaktorski vlak za proizvodnju čistog vodikovog goriva

Istraživači MIT-a imaju za cilj proizvesti potpuno zeleno vodikovo gorivo bez ugljika s novim sustavom reaktora poput vlaka koji pokreće isključivo sunce.

Sustav koristi sunčevu toplinu za izravno razdvajanje vode i stvaranje vodika, čistog goriva koje može pokretati kamione, brodove i avione na dugim relacijama, a pritom ne ispušta stakleničke plinove.

Danas se vodik uglavnom proizvodi kroz procese koji uključuju prirodni plin i druga fosilna goriva, čineći inače zeleno gorivo više "sivim" izvorom energije kada se uzme u obzir od početka njegove proizvodnje do krajnje upotrebe.

Nasuprot tome, solarni termokemijski vodik, ili STCH, nudi alternativu u potpunosti bez emisija, jer se u potpunosti oslanja na obnovljivu solarnu energiju za pokretanje proizvodnje vodika. Ali do sada, postojeći STCH dizajni imaju ograničenu učinkovitost. Samo oko 7 posto dolazne sunčeve svjetlosti koristi se za proizvodnju vodika, što znači da su dosadašnji rezultati bili niski prinosi i visoki troškovi.

U velikom koraku prema realizaciji solarnih goriva, MIT tim procjenjuje da bi njegov novi dizajn mogao iskoristiti do 40 posto sunčeve topline za stvaranje toliko više vodika. Povećanje učinkovitosti moglo bi smanjiti ukupne troškove sustava, čineći STCH potencijalno skalabilnom, pristupačnom opcijom za pomoć u dekarbonizaciji transportne industrije.

MIT-jev sustav bi bio uparen s postojećim izvorom solarne topline, kao što je koncentrirana solarna elektrana (CSP), kružni niz od stotina zrcala koja skupljaju i reflektiraju sunčevu svjetlost do središnjeg prijemnog tornja. Sustav STCH tada apsorbira toplinu prijemnika i usmjerava ga na razdvajanje vode i proizvodnju vodika. Ovaj se proces uvelike razlikuje od elektrolize, koja za razdvajanje vode koristi električnu energiju.

U središtu konceptualnog STCH sustava je termokemijska reakcija u dva koraka. U prvom koraku voda u obliku pare izlaže se metalu. To uzrokuje da metal grabi kisik iz pare, ostavljajući vodik za sobom. Ova "oksidacija" metala slična je hrđanju željeza u prisutnosti vode, ali se događa mnogo brže. Nakon što je vodik odvojen, oksidirani (ili zahrđali) metal ponovno se zagrijava u vakuumu, što djeluje na preokret procesa hrđanja i regeneraciju metala. Uz uklanjanje kisika, metal se može ohladiti i ponovno izložiti pari kako bi se proizvelo više vodika. Ovaj proces se može ponoviti stotine puta.

Sustav kao cjelina nalikuje vlaku reaktora u obliku kutije koji se kreću po kružnoj tračnici. U praksi, ova trasa bi bila postavljena oko izvora solarne topline, kao što je CSP toranj. Svaki reaktor u vlaku bi sadržavao metal koji je podvrgnut redoks procesu ili procesu reverzibilnog hrđanja.

Svaki bi reaktor prvo prošao kroz vruću stanicu, gdje bi bio izložen sunčevoj toplini na temperaturama do 1500 stupnjeva Celzijusa. Ova ekstremna vrućina bi učinkovito izvukla kisik iz metala reaktora. Taj bi metal tada bio u "reduciranom" stanju, spreman za preuzimanje kisika iz pare. Da bi se to dogodilo, reaktor bi se preselio u hladniju stanicu na temperature oko 1000 C, gdje bi bio izložen pari za proizvodnju vodika.

Dizajn MIT-a uključuje nekoliko rješenja za uštedu energije. Kako bi se povratila većina topline koja bi inače pobjegla iz sustava, reaktorima na suprotnim stranama kružne staze dopušteno je izmjenjivati ​​toplinu kroz toplinsko zračenje. Vrući reaktori se hlade dok se hladni zagrijavaju, što zadržava toplinu unutar sustava.

Istraživači su također dodali drugi set reaktora koji bi kružili oko prvog vlaka, krećući se u suprotnom smjeru. Ovaj vanjski niz reaktora radio bi na općenito nižim temperaturama i koristio bi se za evakuaciju kisika iz toplijeg unutarnjeg niza, bez potrebe za mehaničkim pumpama koje troše energiju.

Ti bi vanjski reaktori nosili drugu vrstu metala koji također može lako oksidirati. Dok kruže uokolo, vanjski reaktori bi apsorbirali kisik iz unutarnjih reaktora, učinkovito uklanjajući hrđu s originalnog metala, bez potrebe za korištenjem energetski intenzivnih vakuumskih pumpi. Oba niza reaktora radila bi neprekidno i proizvodila odvojene struje čistog vodika i kisika.

Istraživači su proveli detaljne simulacije konceptualnog dizajna i otkrili da bi značajno povećao učinkovitost solarne termokemijske proizvodnje vodika, sa 7 posto, kako su prethodni dizajni pokazali, na 40 posto.

Sljedećih godinu dana tim će graditi prototip sustava koji će testirati u objektima koncentrirane solarne energije u laboratorijima Ministarstva energetike SAD-a, koje trenutno financira projekt.