Produzione di idrogeno solare tramite reattore termochimico ad ossidi di cerio

The increase in global energy consumption and the respect of international agreements on reducing the production of carbon dioxide and greenhouse gases have brought the interest of the scientific community towards the development of alternative energy systems to the use of oil and natural gas: thermodynamic solar systems and hydrogen. The thermodynamic solar systems are able to provide high power (up to hundreds of MW) in a completely renewable way. Hydrogen is an important energy carrier that, if it is used as a fuel, allows the improvement of local air, because its combustion produces only water. Among the systems for the production of green hydrogen ( "green hydrogen"), thermochemical reactors for the production of hydrogen from water have found a special interest in the last decade. Water splitting through thermochemical cycles solves the typical problems of the direct solar thermolysis: the separation of H2/O2 and high temperatures (2500 K). Indeed, by subdividing the water thermolysis in two or more reactions, these reactors are able to lower the reaction temperatures (1000 - 1800 K) and to produce hydrogen and oxygen in separate points of the system. In almost studies conducted on thermochemical reactors, only the reactor part is analyzed, not caring particularly about the optical system. This thesis stems from the desire to combine the two types of system in order to observe the performance and compare them with currently commercially available technologies usable for the production of hydrogen by renewable routes. The first step was the modeling of an optical system with SolTrace: the plant consists of a parabolic dish (used in the plant SBP Eurodish 10 kW at the Plataforma Solar de Almeria) and a three-dimensional CPC (Compound Parabolic Concentrator), used to increase the concentration factor. After the optimization of the position, the shape and angle of acceptance of the secondary concentrator, a number of possible optical CPC was defined with optical efficiency varying between 40 and 80%. This was followed by the implementation on Microsoft Excel of a thermochemical reactor model based on non - stoichiometric cerium oxides for the production of hydrogen, which exploits the concentrated solar radiation. It consists of two distinct zones in which the reduction and the oxidation take place together with the water splitting. After defining different input parameters, including temperatures and system pressures, the model provides the solar - to - fuel system efficiency, defined as the ratio of the heating value of hydrogen product and the solar power incident on the parabolic dish. The behavior of the complete system under varying pressures (oxidation and reduction side) and temperature (oxidation and reduction side) was observed. The higher efficiency, equal to 33.60%, is obtained in the isothermal case at 1500 ° C with 0.01 atm in reduction zone and 10 atm in oxidation zone. Instead, in the isobar case, it is granted a maximum of efficiency equal to 29.99% for ΔT of 100 ° C and 0.01 atm as total system pressure. As a reference case for subsequent analysis, an isobaric reactor at atmospheric pressure with a reduction temperature of 1500 ° C and with a ΔT of 225 ° C between the two zones of the reactor is chosen. The nominal solar - to - fuel efficiency obtained is 21.2%. Then it was studied the operation of the reactor in off - design conditions to estimate the production of hydrogen for different values of incident solar radiation and subsequently the annual production of hydrogen at two different locations: Seville and Las Vegas. The annual production of hydrogen for the two locations is 358.5 and 623.07 kg / year, respectively. These results were compared with the production of hydrogen obtained from solar energy by two alternative technological solutions: a photovoltaic field and a Dish / Stirling system, combined with an alkaline electrolyzer. The comparison was defined at equal receiving area. The weather conditions and the performance of the two technologies have been created through various simulations on the SAM software (System Advisor Model). In the end, an economic analysis is carried out with the aim of obtaining a cost of solar thermo-chemical system that equals the hydrogen product cost (COH) between the reactor and other systems. The COH is defined as the ratio of the heating value of hydrogen produced from the corresponding plant and the incident solar power in one year of operation. From the results it was observed that in the comparison to Las Vegas with the Dish / Stirling system, the cost of the reactor is equal to about 2 times the sum of the electrolyzer and Stirling engine (the optical system is the same) cost with a value COH equal to € 0269 / kWhH2.

Il forte aumento del consumo energetico globale e il rispetto degli accordi internazionali sulla riduzione della produzione di anidride carbonica e gas serra hanno portato l’interesse della comunità scientifica verso lo sviluppo di sistemi energetici alternativi all’utilizzo di petrolio e gas naturale. Tra questi si sottolinea il solare termodinamico e l’idrogeno. Il solare termodinamico è in grado di fornire potenze elevate (fino a centinaia di MW) in modo completamente rinnovabile. L’idrogeno, invece, è un importante vettore energetico che, se usato come combustibile, permette il miglioramento dell’aria locale, in quanto la sua combustione produce solo acqua. Tra i sistemi per la produzione di idrogeno verde (“green hydrogen”), ha riscontrato un particolare interesse nell’ultimo decennio l’utilizzo di reattori termochimici per la produzione di idrogeno a partire dall’acqua. Lo splitting dell’acqua attraverso cicli termochimici risolve i problemi tipici della termolisi solare diretta: la separazione di H2/O2 e le temperature elevate (circa 2500 K). Infatti, suddividendo la termolisi dell’acqua in due o più reazioni si riescono ad abbassare le temperature necessarie (1000 – 1800 K) e produrre idrogeno e ossigeno in punti separati dell’impianto. In quasi tutti gli studi effettuati finora sull’argomento si è sempre cercato di sviluppare ed analizzare esclusivamente la parte reattoristica, senza curarsi particolarmente del sistema ottico associato. Questa tesi nasce dalla volontà di combinare le due tipologie di impianto per osservarne le prestazioni e confrontarle con quelle di tecnologie attualmente in commercio ed utilizzabili per la produzione di idrogeno tramite vie completamente rinnovabili. Il primo passo è stato la modellizzazione di un sistema ottico tramite l’utilizzo del software SolTrace: l’impianto studiato è costituito da un disco parabolico (utilizzato nell’impianto SBP Eurodish da 10 kW presso la Plataforma Solar de Almeria) e da un CPC (Compound Parabolic Concentrator) tridimensionale inserito per incrementare il fattore di concentrazione. Dall’ottimizzazione della posizione, della forma e dell’angolo di acceptance del concentratore secondario, si è definita una serie di possibili CPC con rendimenti ottici variabili tra il 40 e l’80%. A ciò è seguita l’implementazione su Microsoft Excel del modello di un reattore termochimico ad ossidi di cerio non – stechiometrici per la produzione di idrogeno che sfrutta la radiazione solare concentrata. È costituito da due zone distinte in cui avviene la riduzione e l’ossidazione dell’ossido insieme allo splitting dell’acqua. Definendo diversi parametri di input, tra cui temperature e pressioni del sistema, il modello fornisce il rendimento solar – to – fuel dell’impianto, definito come rapporto tra il potere calorifico dell’idrogeno prodotto e la potenza solare incidente sul disco parabolico. Si è osservato poi il comportamento del sistema completo al variare delle pressioni (lato ossidazione e riduzione) e delle temperature (lato ossidazione e riduzione). Il rendimento maggiore, pari a 33.60%, si ottiene nel caso isotermo a 1500 °C con pressione di riduzione pari a 0.01 atm e pressione di ossidazione pari a 10 atm. Invece, nel caso isobaro, si consegue un massimo di rendimento pari a 29.99% per ΔT di 100 °C e 0.01 atm come pressione totale di sistema. Come caso di riferimento per le analisi successive si è scelto un reattore isobaro a pressione atmosferica con una temperatura di riduzione pari a 1500°C e con un ΔT di 225°C tra le due zone del reattore. Il rendimento nominale solar – to – fuel ottenuto è pari a 21.2%. Si è quindi studiato il funzionamento del reattore in condizioni off – design per poter stimare la produzione di idrogeno per diversi valori di radiazione solare incidente e successivamente la produzione annuale di idrogeno per due differenti località: Siviglia e Las Vegas. La produzione annua di idrogeno per le due località è di 358.5 e 623.07 kg/anno rispettivamente. I risultati ottenuti sono stati confrontati con la produzione di idrogeno ottenuta da energia solare tramite due soluzioni tecnologiche alternative: un campo fotovoltaico ed un impianto Dish/Stirling, combinati con un elettrolizzatore alcalino. Il confronto è stato definito a pari area ricevente. Le condizioni metereologiche e le prestazioni delle due tecnologie sono state ricavate tramite diverse simulazioni sul software SAM (System Advisor Model). Infine si è effettuata un’analisi economica con lo scopo di ottenere un costo del sistema termochimico solare che eguagli il costo dell’idrogeno prodotto (Cost of Hydrogen, COH) tra il reattore e gli altri impianti. Il COH è stato definito come rapporto tra il potere calorifico dell’idrogeno prodotto dal relativo impianto e la potenza solare incidente in un anno di funzionamento. Dai risultati si è osservato che nel confronto a Las Vegas con l’impianto Dish/Stirling il costo del reattore risulta essere pari a circa 2 volte la somma dei costi di elettrolizzatore e motore Stirling (l’impianto ottico è il medesimo) per un valore di COH pari a 0.269 €/kWhH2.