Команда CU-Boulder разработала солнечно-тепловую систему, в которой солнечный свет может концентрироваться огромным множеством зеркал в одной точке на вершине центральной башни высотой до нескольких сотен футов. Башня будет собирать тепло, вырабатываемое системой зеркал, примерно до 2500 градусов по Фаренгейту (1350 по Цельсию), а затем доставлять его в реактор, содержащий химические соединения, известные как оксиды металлов, сказал профессор CU-Boulder Алан Веймер, руководитель исследовательской группы.По словам Веймера, когда соединение оксида металла нагревается, оно высвобождает атомы кислорода, изменяя его материальный состав и заставляя вновь образованное соединение искать новые атомы кислорода.
Команда показала, что добавление пара в систему, который может быть получен путем кипячения воды в реакторе с концентрированным солнечным светом, направленным на башню, приведет к прилипанию кислорода из молекул воды к поверхности оксида металла. высвобождение молекул водорода для сбора в виде газообразного водорода.«Мы разработали здесь нечто, сильно отличающееся от других методов и, откровенно говоря, то, что раньше никто не считал возможным», — сказал Веймер из отдела химической и биологической инженерии. «Разделение воды на солнечный свет — это Святой Грааль устойчивой водородной экономики».Статья на эту тему была опубликована в журнале Science от 2 августа. В состав команды входили со-ведущие авторы Веймер и доцент Чарльз Масгрейв, первый автор и докторант Кристофер Мухич, постдокторант Жанна Мартинек, студентка Кайла Уэстон, бывший аспирант CU Пол Личти, бывший постдокторант CU Синьхуа Лян и бывший исследователь CU Брайан Эванко. .По словам Масгрейва из отдела химической и биологической инженерии, одним из ключевых отличий метода CU от других методов, разработанных для разделения воды, является способность проводить две химические реакции при одинаковой температуре.
Хотя рабочих моделей нет, общепринятая теория утверждает, что для получения водорода с помощью процесса оксида металла требуется нагрев реактора до высокой температуры для удаления кислорода, затем охлаждение его до низкой температуры перед впрыском пара для повторного окисления соединения с целью высвобождения. газообразный водород для сбора.«Более традиционные подходы требуют управления как переключением температуры в реакторе с горячего на холодное состояние, так и введением пара в систему», — сказал Масгрейв. «Одно из больших нововведений в нашей системе — отсутствие колебаний температуры.
Весь процесс управляется включением или выключением парового клапана».«Так же, как вы используете увеличительное стекло, чтобы разжечь огонь, мы можем концентрировать солнечный свет, пока он не станет действительно горячим, и использовать его для запуска этих химических реакций», — сказал Мухич. «Хотя мы можем легко нагреть его до более чем 1350 градусов по Цельсию, мы хотим нагреть его до минимально возможной температуры, чтобы эти химические реакции продолжались. Более высокие температуры могут вызвать быстрое тепловое расширение и сжатие, потенциально вызывая повреждение как химического вещества. материалов и самих реакторов ".Кроме того, двухэтапная традиционная идея разделения воды также тратит впустую время и тепло, сказал Веймер, также преподаватель в Институте BioFrontiers CU-Boulder. «В сутках бывает не так много часов солнечного света», — сказал он.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Министерством энергетики США.С новым методом CU-Boulder количество водорода, производимого для топливных элементов или для хранения, полностью зависит от количества оксида металла, который состоит из комбинации железа, кобальта, алюминия и кислорода, и от того, сколько пар вводится в систему. Одна из разработок, предложенных командой, состоит в том, чтобы построить реакторные трубы диаметром около фута и длиной несколько футов, заполнить их металлооксидным материалом и уложить их друг на друга.
Для рабочей системы по производству значительного количества газообразного водорода потребуется несколько высоких башен для сбора концентрированного солнечного света от нескольких акров зеркал, окружающих каждую башню.Веймер сказал, что новый дизайн начал проникать в команду около двух лет назад. «Когда мы увидели, что можем использовать этот более простой и эффективный метод, это потребовало изменения в нашем мышлении», — сказал Веймер. «Нам пришлось разработать теорию, чтобы объяснить это и сделать ее правдоподобной и понятной для других ученых и инженеров».Несмотря на открытие, до коммерциализации такого солнечно-теплового реактора, скорее всего, потребуются годы. «При такой низкой цене на природный газ нет стимула сжигать чистую энергию», — сказал Веймер, также исполнительный директор Колорадского центра биопереработки и биотоплива (C2B2). «За выброс углерода в атмосферу потребуется существенный денежный штраф, в противном случае цены на ископаемое топливо должны будут резко возрасти».C2B2 является подразделением Коллаборации энергетических исследований Колорадо, в которую входят CU-Boulder, Колорадская горная школа, Университет штата Колорадо и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии в Голдене.
Сотрудничество с отраслевыми партнерами, государственными агентствами и другими учреждениями направлено на коммерциализацию технологий использования возобновляемых источников энергии, поддержку экономического роста в штате и нации и обучение будущих кадров.