Hydrogen production through thermochemical cycles : a model for performance prediction

The world is moving towards higher level of energy consumption. In spite of the huge effort spent in the attempt to provide a reliable and continuous energy supply from renewable sources, lots of difficulties still need to be faced. Energy storage is one of the most immediate and smart solutions to this problem. Within the different path explored, solar energy storage though production of synthetic fuels is addressing the attention of scientists. In this optic, two-step thermochemical cycles are of great interest as they do not required too complicated and expensive technologies. Further, they occur at lower temperatures, compare to solar thermolysis for hydrogen production, that can be easily reached thanks to the recent developments of solar concentration systems (CSP). In this work, first the analysis of physical phenomena that take place in the solar reactor is done with the purpose of giving a qualitative description of the solar fuel production process, focusing on the most relevant and yet critical aspects. Hence a simple yet rigorous model is derived in order to provide a reliable instrument for performances prediction of the system. A test case, for a 15SDC (15% samarium doped ceria), is used for the model validation and is here described. However, the hot point of this work is that, once known the thermophysical properties of a material, its efficiency in thermochemical fuels production can be obtained.

Il mondo, si sta muovendo verso consumi energetici sempre più elevati. Nonostante il grande dispendio di energie posto nel cercare di rendere stabile e sicura la produzione di energia da fonti rinnovabili, molte difficoltà devono essere ancora affrontate. Lo stoccaggio di energia risulta, al momento, la soluzione più facilmente realizzabile ed efficace. Tra le diverse tecnologie esplorate, lo stoccaggio dell’energia solare attraverso la produzione di combustibili sintetici sta suscitando grande interesse tra gli scienziati. Tra gli altri, i cicli termochimici a due step, ricadono tra le soluzioni più appetibili in quanto uniscono semplicità tecnologica, a costi mantenuti, e livelli di efficienza, teorica per il momento, molto soddisfacenti. Inoltre, comparati con la termolisi solare, questi cicli occorrono a temperature piuttosto moderate, attorno ai 1700 K, il cui raggiungimento non risulta più proibitivo, o energicamente dispendioso, grazie ai recenti sviluppi nella concentrazione solare (CSP). In questo lavoro viene svolta l’analisi dei processi fisici che avvengono all’interno del “reattore solare”, con l’obiettivo di fornire una descrizione più accurata degli aspetti di maggior rilievo e allo stesso tempo più critici nella progettazione del sistema. Un semplice ma rigoroso modello è stato quindi costruito con l’obiettivo di fornire uno strumento affidabile per la previsione delle prestazioni di questi cicli. Una simulazione esemplificativa, per il 15SDC (15% samarium doped ceria) è stata fatta per la validazione del modello ed è riportata in questo lavoro. Comunque, l’aspetto più interessante di questo modello risiede nel fatto che, una volta note le proprietà termofisiche di un materiale, una indicazione della sua capacità nella conversione di energia solare in gas di sintesi può essere ottenuta.