Inženjeri MIT-a imaju za cilj da proizvedu potpuno zeleno vodoničko gorivo bez ugljenika sa novim sistemom reaktora nalik na voz koji pokreće isključivo sunce.
U studiji objavljenoj danas u Solar Energi, inženjeri su postavili konceptualni dizajn za sistem koji može efikasno da proizvodi „solarni termohemijski vodonik“. Sistem koristi sunčevu toplotu da direktno deli vodu i generiše vodonik—čisto gorivo koje može da pokreće kamione, brodove i avione na velike udaljenosti, dok u tom procesu ne emituje emisije gasova staklene bašte.
Danas se vodonik uglavnom proizvodi kroz procese koji uključuju prirodni gas i druga fosilna goriva, što inače zeleno gorivo čini više „sivim“ izvorom energije kada se posmatra od početka njegove proizvodnje do krajnje upotrebe. Nasuprot tome, solarni termohemijski vodonik, ili STCH, nudi alternativu potpuno bez emisija, jer se u potpunosti oslanja na obnovljivu solarnu energiju za pokretanje proizvodnje vodonika. Ali do sada, postojeći STCH dizajni imaju ograničenu efikasnost: samo oko 7% dolazne sunčeve svetlosti se koristi za proizvodnju vodonika. Dosadašnji rezultati su bili niski prinosi i visoki troškovi.
U velikom koraku ka realizaciji solarnih goriva, tim MIT-a procenjuje da bi njegov novi dizajn mogao da iskoristi do 40% sunčeve toplote da bi proizveo toliko više vodonika. Povećanje efikasnosti moglo bi da smanji ukupne troškove sistema, čineći STCH potencijalno skalabilnom, pristupačnom opcijom koja pomaže u dekarbonizaciji transportne industrije.
„Razmišljamo o vodoniku kao o gorivu budućnosti i postoji potreba da se proizvodi jeftino i u velikim količinama“, kaže glavni autor studije Ahmed Gonijem, Ronald C. Crane profesor mašinstva na MIT-u. „Pokušavamo da postignemo cilj Odeljenja za energetiku, a to je da proizvedemo zeleni vodonik do 2030. godine, po ceni od 1 dolara po kilogramu. Da bismo poboljšali ekonomiju, moramo da poboljšamo efikasnost i da obezbedimo da se većina solarne energije koju prikupimo koristi u proizvodnji vodonika“.
Slično drugim predloženim dizajnom, MIT sistem bi bio uparen sa postojećim izvorom sunčeve toplote, kao što je koncentrisana solarna elektrana (CSP) – kružni niz stotina ogledala koja prikupljaju i reflektuju sunčevu svetlost u centralni prijemni toranj. STCH sistem tada apsorbuje toplotu prijemnika i usmerava je na cepanje vode i proizvodnju vodonika. Ovaj proces se veoma razlikuje od elektrolize, koja koristi struju umesto toplote za cepanje vode.
U srcu konceptualnog STCH sistema je termohemijska reakcija u dva koraka. U prvom koraku, voda u obliku pare je izložena metalu. Ovo uzrokuje da metal grabi kiseonik iz pare, ostavljajući vodonik iza sebe. Ova „oksidacija“ metala je slična rđenju gvožđa u prisustvu vode, ali se dešava mnogo brže. Jednom kada se vodonik odvoji, oksidovani (ili zarđali) metal se ponovo zagreva u vakuumu, koji deluje da preokrene proces rđe i regeneriše metal. Sa uklonjenim kiseonikom, metal se može ohladiti i ponovo izložiti pari da bi se proizvelo više vodonika. Ovaj proces se može ponoviti stotine puta.
MIT sistem je dizajniran da optimizuje ovaj proces. Sistem u celini podseća na voz reaktora u obliku kutije koji se kreću po kružnom koloseku. U praksi, ova staza bi bila postavljena oko solarnog termalnog izvora, kao što je CSP toranj. Svaki reaktor u vozu bi sadržao metal koji prolazi kroz redoks, ili reverzibilni proces rđe.
Svaki reaktor bi prvo prošao kroz toplu stanicu, gde bi bio izložen sunčevoj toploti na temperaturama do 1.500°C. Ova ekstremna toplota bi efikasno izvukla kiseonik iz metala reaktora. Taj metal bi tada bio u „smanjenom“ stanju – spreman da uzme kiseonik iz pare. Da bi se to desilo, reaktor bi se preselio u hladniju stanicu na temperaturama od oko 1.000°C, gde bi bio izložen pari da bi proizveo vodonik.
Drugi slični koncepti STCH naišli su na uobičajenu prepreku: šta učiniti sa toplotom koju oslobađa smanjeni reaktor dok se hladi. Bez povratka i ponovnog korišćenja ove toplote, efikasnost sistema je suviše niska da bi bila praktična.
Drugi izazov ima veze sa stvaranjem energetski efikasnog vakuuma gde metal može da otkloni rđu. Neki prototipovi stvaraju vakuum koristeći mehaničke pumpe, iako su pumpe previše energetski intenzivne i skupe za proizvodnju vodonika velikih razmera.
Za rešavanje ovih izazova, dizajn MIT-a uključuje nekoliko rešenja za uštedu energije. Da bi povratili većinu toplote koja bi inače pobegla iz sistema, reaktorima na suprotnim stranama kružne staze je dozvoljeno da razmenjuju toplotu kroz toplotno zračenje; topli reaktori se hlade dok se hladni reaktori zagrevaju. Ovo zadržava toplotu unutar sistema.
Istraživači su takođe dodali drugi set reaktora koji bi kružili oko prvog voza, krećući se u suprotnom smeru. Ovaj spoljni niz reaktora bi radio na generalno nižim temperaturama i koristio bi se za evakuaciju kiseonika iz toplijeg unutrašnjeg voza, bez potrebe za mehaničkim pumpama koje troše energiju.
Ovi spoljni reaktori bi nosili drugu vrstu metala koji takođe može lako da oksidira. Dok kruže okolo, spoljašnji reaktori bi apsorbovali kiseonik iz unutrašnjih reaktora, efikasno uklanjajući rđu sa originalnog metala, bez potrebe za korišćenjem energetski intenzivne vakuum pumpe. Oba reaktorska voza bi radila neprekidno i stvarala bi odvojene tokove čistog vodonika i kiseonika.
Istraživači su izvršili detaljne simulacije idejnog projekta i otkrili da bi to značajno povećalo efikasnost solarne termohemijske proizvodnje vodonika, sa 7%, kako su prethodni projekti pokazali, na 40%.
„Moramo da razmislimo o svakom delu energije u sistemu i o tome kako da ga iskoristimo da bismo minimizirali troškove“, kaže Gonijem. „I sa ovim dizajnom smo otkrili da se sve može napajati toplotom koja dolazi od sunca. U stanju je da koristi 40% sunčeve toplote za proizvodnju vodonika.“
„Ako se ovo može realizovati, to bi moglo drastično da promeni našu energetsku budućnost – naime, omogućavajući proizvodnju vodonika 24/7“, kaže Kristofer Muhič, docent hemijskog inženjerstva na Državnom univerzitetu u Arizoni, koji nije bio uključen u istraživanje. „Sposobnost proizvodnje vodonika je osnova za proizvodnju tečnih goriva od sunčeve svetlosti.
U narednoj godini tim će izgraditi prototip sistema koji planira da testira u objektima koncentrisane solarne energije u laboratorijama Odeljenja za energetiku.
„Kada se u potpunosti primeni, ovaj sistem bi bio smešten u maloj zgradi usred solarnog polja“, objašnjava Patankar. „Unutar zgrade može postojati jedan ili više vozova od kojih svaki ima oko 50 reaktora. I mislimo da bi ovo mogao biti modularni sistem, gde možete da dodate reaktore na pokretnu traku, da biste povećali proizvodnju vodonika.“
