Design di una torre solare per la produzione di idrogeno tramite reattore termochimico

Energy policies based on fossil fuel consumption brought the science community to seek sustainable source of energy to contrast the global warming phenomena. In this context metal oxides thermochemical reactor used for solar hydrogen production represents a promising technology. The analysis at issue involved in particular cerium oxide reactor, since they result compact along with operative temperature closed to 1500°C. The only renewable source able to reach these levels of temperature is the concentrated solar radiation. The work concerned from one side the thermochemical reactor modelling in Matlab environment and from the other side the design of a solar tower plant with a thermal nominal power of 2MW equipped of a CPC secondary concentrator so to allow the achievement of concentration factors required (FC>3000). The implemented model allows the evaluation of reactor performances in function of various operative parameters, among which temperatures and pressures related to the different two zones of the reactor. The layout definition of the field involved initially a theoretical analysis about the geometric borders of the field, which established limits for a series of parametric simulations carried out with SolarPILOT software varying the solar tower’s height, the acceptance angle and the outer opening of CPC and the slope of the receiver. The results elaboration brought to the individuation of three optimum cases with receiver rays included within 0.50m and 0.55m and the acceptance angle within 45° and 50°, corresponding to a FC interval of 3390 and 4400 and to optical-thermal nominal efficiencies equal to about 58%. For these layout the optical system was implemented through Soltrace in order to integrate the geometry of the secondary concentrator discretized in n=30 truncated cones, not implementable with SolarPILOT. For the three plants have been evaluated maps able to provide the value of optical efficiency in function of the solar position. For the three optimum cases was therefore, studied the operation at design conditions of the reactor for a isobar configuration of 1 atm, reduction temperature of 1500°C and a difference of temperature among the two reactor zones of 225°C. This analysis permitted to figure out the nominal solar to fuel efficiency for the three objects of study of this thesis work, which resulted respectively 19.17%, 18.76% and 19.15%. Successively performances of the reactor in off-design conditions were characterized and a yearly analysis was set up for the Seville and Las Vegas location regarding the plant performances with the optical system. The best layout highlighted a yearly solar to fuel efficiency of 12.3% and 13.6% for the two location presented above. For this plant was carried out a further yearly analysis considering a configuration which allowed the employment of differential pressures for the two reactor zones, so to achieve higher performances. The reactor in this case presented an operative pressure of 10 atm to the oxidation side and of 0.1 atm to reduction side, a reduction temperature analogous to the base case, a temperature difference optimized between the two reactor zones equal to 120°C and a thermal recovery efficacy solid-solid of 50%. This configuration brought to an increase of yearly solar to fuel efficiency of about 5 percentage points for both location studied in this analysis.

Le politiche energetiche basate sul consumo di combustibili fossili hanno portato la comunità scientifica alla ricerca di fonti di energia sostenibili per contrastare il fenomeno del riscaldamento globale. In questo contesto i reattori termochimici ad ossidi metallici per la produzione di idrogeno solare rappresentano una tecnologia promettente. L’analisi presentata ha coinvolto in particolare reattori ad ossidi di cerio in quanto possono essere realizzati in modo compatto con temperature operative vicine a 1500°C. L’unica fonte rinnovabile in grado di raggiungere tali livelli di temperatura è la radiazione solare concentrata. Il lavoro ha interessato da un lato la modellizzazione del reattore termochimico in ambiente Matlab e dall’altro la progettazione di un impianto a torre solare della potenza termica nominale di 2MW dotato di concentratore secondario di tipo CPC in modo da raggiungere i fattori di concentrazione richiesti (FC>3000). Il modello del reattore permette la valutazione delle prestazioni di tale componente in funzione di una serie di parametri di funzionamento, fra cui le temperature e le pressioni relative alle due differenti zone di funzionamento. La definizione del layout del campo ha coinvolto in una prima fase un’analisi teorica sui confini geometrici del campo che ha stabilito i limiti per una serie di simulazioni parametriche eseguite con il software SolarPILOT al variare dell’altezza della torre solare, dell’acceptance angle e dell’apertura esterna del CPC e dell’inclinazione del ricevitore. L’elaborazione dei risultati ha portato all’individuazione di tre casi di ottimo con raggi del ricevitore compresi tra 0.50m e 0.55m e acceptance angle fra 45° e 50°, corrispondenti ad un intervallo di FC contenuto fra 3390 e 4400 e a rendimenti ottico termici nominali pari a circa il 58%. Per tali layout il sistema ottico è stato implementato in Soltrace per poter integrare la geometria del concentratore secondario discretizzata in n=30 tronchi di cono, non implementabile in SolarPILOT. Per i tre impianti sono state poi calcolate delle mappe in grado di fornire il valore di rendimento ottico in funzione della posizione del sole. Per i tre layout di ottimo è stato quindi studiato il funzionamento in condizioni di design del reattore per una configurazione isobara ad 1 atm, una temperatura di riduzione di 1500°C ed una differenza di temperatura fra le due zone del reattore di 225°C. Tale analisi ha portato al calcolo del rendimento solar to fuel nominale che per i tre layout oggetto dello studio è risultato rispettivamente pari a 19.17 %, 18.76 % e 19.15 %. Successivamente si è andati a caratterizzare le prestazioni dei reattori in condizioni off-design ed è stata impostata un’analisi annuale per le località di Siviglia e Las Vegas riguardante le prestazioni dell’impianto compreso di sistema ottico. Il layout migliore ha evidenziato un rendimento solar to fuel annuale del 12.3 % e del 13.6 % per le due località prima presentate. Per tale impianto è stata eseguita un’ulteriore analisi annuale andando a considerare una configurazione che permettesse l’utilizzo di pressioni differenziali per le due zone del reattore in modo da raggiungere prestazioni elevate. Il reattore in questo caso presentava una pressione di funzionamento di 10 atm per il lato di ossidazione e di 0.1 atm per quello di riduzione, una temperatura di riduzione analoga al caso base, una differenza di temperatura fra le due zone del reattore ottimizzata e pari a 120°C ed un’efficacia di recupero del calore solido-solido del 50%. Tale configurazione ha portato ad un aumento del rendimento annuale solar to fuel di circa 5 punti percentuali per entrambe le località oggetto dell’analisi.