Impianto per produzione di idrogeno solare tramite reattore termochimico ad ossidi metallici

In recent years, agreements on reducing greenhouse gas emissions from the most developed countries have led to greater development and use of renewable sources, especially solar energy. Today it is mostly used to produce electricity, but it can also be converted into a clean fuel such as hydrogen, so that the entire supply chain is totally zero emissions of greenhouse gases. A system that has found particular interest in the last decade to produce solar hydrogen is the thermochemical reactor, that is able to make a continuous process in which water is separated into hydrogen and oxygen, thanks to the oxidation and reduction reactions of a metal oxide. In this thesis we want to develop a complete model of a thermochemical reactor with metal oxides, in order to evaluate how efficiently the associated plant is able to convert solar radiation into chemical fuel energy. The first analysis was carried out using the iron as redox material and considering only the thermal power input of the plant, ie the solar radiation, that brings the chemical species to operating temperatures and it promotes the endothermic reactions of the process. The best performances are at low pressures and high temperatures of the reduction reaction and at high pressures and low temperatures of the oxidation reaction: with an isobaric reactor at 1 atm and variable ∆T, a maximum yield of 21.73% can be obtained; with an isothermal reactor at 1500 ° C and variable pressures, a maximum efficiency of 44.87% can be obtained. The second analysis is a comparison between the performance of the iron oxide plant and the cerium oxide plant. It has been observed that iron oxide yields higher efficiency than cerium oxide operating at low system pressures, and vice versa. Subsequently, the comparison was extended to the doping of iron with nickel. From the point of view of chemical reactions this material provides the best results, followed by iron and then by cerium; nevertheless, there is a wide range of operating conditions in which the best efficiencies are given by cerium, due to the lower flow of liquid water entering the oxidation reaction, which evaporates and then becomes superheated steam. Than we study of the performances of some configurations of an iron oxide plant; here we also consider the power consumption, that is the consumption of the auxiliaries and the consumption of the system able to supply low partial oxygen pressures for the reduction reaction. Finally, the realization of a solar field model, together with the values obtained from the off-design operation of the plant chosen as a nominal case, has allowed us to estimate, for two different locations, the annual production of hydrogen: 27,06 tons in the Mojave desert, California, and 13,42 in Seville, Spain.

Negli ultimi anni, gli accordi sulle riduzioni delle emissioni di gas serra presi dai Paesi economicamente più sviluppati, hanno portato a un sempre maggiore sviluppo e impiego di fonti rinnovabili, prime fra tutte l’energia solare. Quest’ultima viene oggi sfruttata perlopiù per produrre energia elettrica, ma può anche essere convertita in un combustibile pulito come l’idrogeno, in modo tale che l’intera filiera dalla produzione ai consumi finali sia totalmente a emissioni nulle di gas serra. Tra i sistemi per la produzione di idrogeno solare, ha riscontrato un particolare interesse nell’ultimo decennio l’utilizzo di reattori termochimici, nei quali, grazie alle reazioni di ossidazione e di riduzione di un ossido metallico, è possibile avere un processo continuo in cui l’acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno. Questo lavoro di tesi nasce dalla volontà di sviluppare un modello completo di un reattore termochimico ad ossidi metallici, allo scopo di valutare, in funzione dei parametri in ingresso come pressioni e temperature, con quale efficienza l’impianto associato è in grado di convertire la radiazione solare in energia chimica del combustibile. La prima analisi è stata condotta utilizzando il ferro come materiale redox e considerando soltanto l’input di potenza termica dell’impianto, ovvero la radiazione solare che, dopo essere stata concentrata mediante l’impiego di un campo solare a torre ricevente, è in grado di portare le specie chimiche alle temperature operative del reattore e di promuovere le reazioni endotermiche del processo. Si è osservato che le prestazioni migliori si hanno per basse pressioni e alte temperature della reazione di riduzione e per alte pressioni e basse temperature della reazione di ossidazione: con reattore isobaro a 1 atm e ∆T variabile si può ottenere un rendimento massimo del 21,73%, mentre con reattore isotermo a 1500°C e pressioni variabili si può ottenere un rendimento massimo del 44,87%. La seconda analisi consiste in un confronto tra le prestazioni dell’impianto con ossidi di ferro e dell’impianto ad ossidi di cerio. Si è visto che l’ossido di ferro fornisce rendimenti maggiori dell’ossido di cerio quando si opera a basse pressioni del sistema, e viceversa. In seguito, il confronto è stato ampliato alla configurazione che prevede un dopaggio del ferro con nichel. Si è osservato che dal punto di vista delle reazioni chimiche quest’ultimo materiale fornisce i risultati migliori, seguito dal ferro e poi dal cerio; nonostante ciò, vi è un ampio campo di condizioni operative in cui i rendimenti migliori si hanno col cerio, dovuti alla minor portata d’acqua liquida entrante in ossidazione, da far evaporare e portare a vapore surriscaldato. L’analisi seguente riguarda lo studio delle performance e della fattibilità pratica di alcune configurazioni possibili per l’impianto ad ossidi di ferro, in cui si considerano anche tutti i consumi di natura elettrica, ovvero quelli degli ausiliari e quelli di un sistema in grado di fornire basse pressioni parziali di ossigeno per la riduzione. I risultati ottenuti hanno permesso di scegliere un caso nominale di condizioni operative dell’impianto. Infine, la realizzazione di un modello del campo solare, unita ai valori ricavati dal funzionamento in off-design dell’impianto scelto come caso nominale, ha permesso di stimare, per due differenti località, la produzione annua di idrogeno: 27,06 tonnellate per l’impianto realizzato nel deserto del Mojave, California, e 13,42 per quello realizzato a Siviglia, Spagna.