世界初の夜間用太陽燃料炉

太陽光発電による化学には欠点が 1 つあります。それは、反応が夜間に停止することです。 今、科学者たちは解決策を見つけました。

ソーラーペース

画像: CONTISOL は、実際の太陽フィールドではなく、模擬「太陽」を使用してドイツのケルンでテストされました。原子炉自体がテスト対象のイノベーションであるため、貯蔵と熱交換器もシミュレートされました。もっと見る

クレジット: DLR

国際的な太陽熱エネルギー研究者らは、熱エネルギー貯蔵を含む集中太陽光発電（CSP）を使用するため、空気で動作し、水素などの太陽燃料を製造でき、昼夜を問わず動作できる太陽炉であるCONTISOLのテストに成功しました。

太陽燃料の約束は、今日の天然ガスから水素を製造するのに必要な気候に悪影響を与える炭素排出を伴わずに、水素のようなゼロカーボン燃料を手に入れることができるということなので、太陽炉を完成させることが100%クリーンエネルギーの未来の鍵となります。

H2OからH2（水素）を分解するような化学反応のために、熱化学プロセスを推進するために必要な熱を得るために化石燃料を燃やす代わりに、科学者たちは、ミラーを使用する太陽の熱形態、CSPによって加熱されるさまざまな種類の反応器をテストしてきました。太陽光束を受信機に集中させます。

1,500℃もの高温で作動する熱化学反応で炭素熱ゼロを達成するために、専門家はCSPの直接熱が太陽光発電や風力による電力よりも効率的なクリーンエネルギー源であると考えています。

何世紀にもわたって太陽光は無制限に供給され、熱化学が太陽エネルギーによって駆動される場合、気候への影響はありません。 化石エネルギーの燃焼と比較した唯一の欠点は、夜には太陽が沈むことです。

CSPによる夜間太陽光発電

現在、CPERI/CERTHギリシャのエアロゾル粒子技術研究所の支援を受けているドイツ航空宇宙センター（DLR）の科学者グループは、蓄熱装置を備えた新しい太陽炉の設計を構築し、テストしました。これにより、次のような熱を24時間提供できます。現在の化石燃料を燃料とする方法ですが、排出物はありません。

彼らの論文「CONTISOL の製造とテスト: 昼夜太陽熱化学のための新しいレシーバーリアクター」は、2017 年 12 月に Applied Thermal Engineering で発表されました。

「これまでの太陽炉は、太陽がない夜や、雲が通り過ぎてもどうするかという問題を抱えていました」と論文の筆頭著者で、元DLRで現在は助教授を務めるジャスティン・ラップ氏は語る。メイン大学で機械工学を専攻。

ラップ氏は、温度が下がると反応を停止するか、反応物の流速を遅くする必要があり、結果として得られる生成物の量が減る可能性があると説明した。 夜間に原子炉が停止すると冷却され、余熱が無駄になるだけでなく、翌朝には何もない状態から再スタートすることになります。

使い方

「つまり、CONTISOL の主なアイデアは、2 つの原子炉を一緒に建設することでした」と彼は言いました。 「1 つは太陽光が直接化学処理を行う場所で、もう 1 つはエネルギーを貯蔵するためのものです。化学チャネルでは、材料の高温によって化学反応が促進され、それらのチャネル内で反応物から生成物に変化が生じます。空気チャネルでは冷却されます。」空気は前方に入り、より熱い空気は後方から出ます。」

貯蔵能力と直接太陽熱化学反応器を組み合わせることで、温度が 24 時間安定しているだけでなく、直接であるため反応を実行するための最も効率的な熱源でもあり、「複数の太陽熱化学反応器を使用してもそれほど多くの損失がありません」という両方の長所を利用できます。太陽光とそこで起こっている化学反応の間のステップです。」

CONTISOL は、DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) によってユーリッヒにある試験用ソーラー タワーで運用されている容積式空気受信機をベースにしたオープン エア レシーバーを使用しており、空気を 1,100 ℃ まで加熱できます。モノリシック材料の小さなチャネルを通してそれを引き込みます。

「私たちのものは、このような容積測定式のエアレシーバーです」とラップ氏は語った。 「中心は押し出し成形されたモノリスで、小さな長方形のチャネルが多数ある大きな円柱です。チャネルの 1 列おきは、化学反応やモノリスに空気を通すために使用されます。これらのチャネルは前面に開いており、太陽光が入って加熱できるようにしています。」このモノリシックな素材。」

最初のテストではマルチチャンネル受信機に炭化ケイ素が使用されましたが、科学者らは受信機により硬い金属合金であるインコネルを試す予定です。

「炭化ケイ素は金属ほど機械加工できないため、製造が少し難しいです。そのため、非常に厳しい公差を得るのは難しい場合があります。それほど高価ではありませんが、製造で扱うのが最も簡単な材料ではありません。」と彼は話しました。 。

水や炭化水素の分子をほとんどの太陽燃料に再配置するには 800 ～ 900 ℃の温度が必要であるため、それが温度の目標でした。 プロトタイプの反応器は実験室規模で 850℃、5kW で正常に動作しました。

CONTISOLは、ドイツのケルンで、実際の太陽光発電場ではなく、シミュレートされた「太陽」を使用してテストされ、原子炉自体が革新であるため、貯蔵と熱交換器もシミュレートされました。

「このスケールは、単に制御方法を理解するための科学的なプロトタイプです。5 kW では商用化されません。」と彼は言いました。 「商業的には、工業規模の原子炉としては 1 ～ 5 MW がほぼ最小であり、100 MW、あるいはそれ以上まで拡張できる可能性があります。」

「私たちの場合、一例としてメタン改質を行っています。しかし、それはメタンに結びついているわけではなく、いくらでも太陽燃料を作ることができます。興味深いものの1つは、循環材料としての硫酸からの水素生成です。約100℃で硫酸を蒸発させると、 400℃の蒸気とSO3に浸しても腐食性ではないため、ステンレス鋼のコンポーネントも使用できます。」

なぜ熱媒体として空気を使用するのでしょうか?

空気中の熱を伝達することで、900 ～ 1100 ℃ で溶ける銅または銅合金の熱化学貯蔵や潜熱貯蔵などの高効率貯蔵システムの選択肢が広がります。

空気の利点は、アクセスしやすく、自由に利用でき、豊富にあることです。 空気は腐食性ではなく、漏れは問題にならないため、空気を密閉ループに閉じ込める必要はない、と同氏は説明した。

「大気中から空気を引き込み、熱交換器に通して熱を蓄えることができます。その後、空気が冷えたら排出することができます。」

他の伝熱材の場合、「システムのあらゆる場所が密閉されていることを確認する必要があり、一部を紛失した場合は補うために追加購入する必要があります。空気の場合はそのような問題はありません。」

高温で分子構造が変化する可能性のある多くの熱媒体とは異なり、空気は高温でも安定しています。

ただし、エアレシーバーは水などの液体を使用した化学反応を排除すると思われます。 そうではないとラップ氏は言いました。

「私たちが興味を持っている、600度から800度の範囲で液体を保つ液体はほとんどありません」と彼は説明した。 「私たちが扱う化学反応のほとんどは、メタンなどのガスとの反応、または金属酸化物反応などの固体物質との反応です。

水の分解でさえ非常に高い温度で行われるため、水は液体ではなく蒸気になります。

「水はすでに蒸気として入ってくるので、受器の設計がずっと簡単になります。沸騰中に蒸気が膨張するという問題がありません。液体よりも蒸気に対して密閉を保つ方が簡単です。」と彼は言いました。 そのため、分解用の水を準備するには、まず塔の中で水を沸騰させて蒸気にします。

「これらの高温太陽炉では、すべてのミラーが焦点を合わせるタワーの中心スポットが高温化学に最適です。中心では 600 ～ 800 ℃に達するために非常に高い光束が得られます。しかし、常に大量の無駄な放射線が発生します。外側にはまだ200〜300度に加熱するのに十分な光があり、化学には十分ではないが、水を蒸発させて蒸気にするのには十分だ」とラップ氏は指摘した。

最も初期の熱化学反応器は原子力でした

熱化学を行うために原子炉を使用する研究は 60 年代に原子力によって始まりましたが、研究者が必要な温度に達するための核反応を起こすことができなくなったため、放棄されました。 800℃に到達できる設計の原子炉はほとんどありませんでした。

しかし、より最近では、太陽炉では、核ではなく太陽熱に基づいた熱化学の研究が取り入れられています。 高度に集中した太陽光を使用する実験規模では、すでに 800℃ ～ 1500℃ の温度に達しています。

太陽炉には、電気を生成する完全な火力発電所である CSP プラントの大きな電源ブロックは含まれていません (太陽から供給される熱を除く)。 太陽炉は、電気を作るための大きなタービンや発電機を必要とせず、タワー、ソーラーフィールド、受信機、反応室のみで構成されます。 これに、CONTISOL は空気から熱を熱交換器に伝達する貯蔵システムを追加します。

例えば水素を生成するには、CONTISOL 型太陽炉は、ヘリオスタット (ミラー) の太陽フィールド、タワー、空気レシーバー、および蓄熱器で構成されます。 鏡は太陽光を空気受光器に反射します。 2 組の小さなチャンバー内で空気を加熱し、空気を熱化学反応用の反応チャンバーまたは蓄熱装置のいずれかに送ります。

水素を一晩高温に保つために保管しておけば、さらに多くの反応に使用することができます。あるいは、塔内の反応チャンバーからパイプで取り出して圧縮し、タンクに充填して排出することもできます。

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論文: CONTISOL の製造とテスト: 昼夜太陽熱化学用の新しい受信反応器

http://www.solarpaces.org/wp-content/uploads/Fabrication-and-testing-of-CONTISOL-A-new-receiver-reactor-for-day-and-night-solar-thermochemistry.pdf

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応用熱工学

10.1016/j.applthermaleng.2017.08.001

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