Experimenteel testen en analyse van warmteoverdracht van een iris gestuurde zonne-reactor

De uitputting van fossiele brandstoffen en de klimaatverandering zijn de belangrijkste basis geweest voor het vinden van alternatieven voor conventionele industriële processen. Technologieën die gebruik maken van geconcentreerd zonlicht worden daarom beschouwd als een potentieel alternatief. De processen op dewelke deze technologieën berusten, maken gebruik van geconcentreerde zonne-energie om de endotherme scheidingsreactie of thermochemische cycli in een zonne-reactor, die leidt tot de productie van zonnebrandstoffen en grondstoffen, te ondersteunen. Eén van deze zonneprocessen is het thermisch kraken van aardgas door zonnewarmte, wat reeds aanzienlijke onderzoeksinspanningen heeft aangetrokken vanwege het verkrijgen van waterstof als energiedrager door het koolstofvrij maken van fossiele brandstoffen zonder uitstoot van broeikasgassen. Twee waardevolle producten ontstaan uit dit emissievrije proces, nl. waterstof en carbon black. Carbon black is een belangrijk additief voor rubbers, inkten, batterijen en verschillende polymeren. Aan de andere kant is er veel vraag naar waterstof in de chemische industrie en raffinaderijen en biedt waterstof het voordeel dat het over lange afstanden kan worden getransporteerd. Deze stockeerbare zonnebrandstoffen vormen dus een belangrijk onderdeel van de overgang naar een waterstofeconomie.

Terwijl vandaag de dag industriële koolstof wordt geproduceerd door middel van een ovenproces dat inherent geassocieerd wordt met de uitstoot van significante hoeveelheden CO2. De conventionele productie van waterstof wordt voornamelijk uitgevoerd door middel van stoomreforming van aardgas, alsook door middel van partiële oxidatiehervorming en zelfthermische reforming. Deze productiemethoden brengen milieueffecten met zich mee door de daaruit voortvloeiende CO2. Daarom is het zonne-thermisch kraken van methaan een veelbelovend alternatief.

Technische uitdagingen belemmeren echter de mogelijke commercialisering van deze thermochemische processen op zonne-energie. Een van de belangrijkste uitdagingen is de natuurlijke fluctuatie van de zonnestraling als gevolg van de positie van de zon, de onbeschikbaarheid tijdens de nacht en de tijdelijke beschikbaarheid bij verschillende weersomstandigheden. Naast dit transiënte gedrag moet de geconcentreerde energie die in de zonnecollector binnenkomt effectief gebruikt worden door en overgebracht worden naar het gebruikte medium. Hiervoor zijn een optimale warmteoverdracht en een gelijkmatige temperatuur in de holte van groot belang, terwijl lokale thermische hotspots worden voorkomen. Een andere belangrijke uitdaging, specifiek van toepassing op het thermisch krakingsproces van methaan, is de agglomeratie van koolstofdeeltjes. Deze deeltjes worden ofwel als katalysator geïnjecteerd of gevormd door de ontbindingsreactie in de reactor. De deeltjes in de fluïdumstroom zetten zich af op de wanden van de reactor en het kwartsvenster van rechtstreeks bestraalde zonnereactoren. Dit leidt verder tot verstopping aan de uitgang van de reactor, met alle nadelige gevolgen van dien.

Het doel van deze doctoraatsstudie is de bovengenoemde uitdagingen aan te gaan door middel van een diepgaand numeriek en experimenteel onderzoek van de warmteoverdracht en de thermische hydraulica van de stroming in zonnereactoren. Met betrekking tot de eerste uitdaging wordt gebruik gemaakt van een variabel diafragma-mechanisme dat in staat is om constante thermische condities in de zonne-collector te handhaven, ongeacht de veranderende zoninstraling. Deze techniek overtreft andere veelgebruikte controlemethoden zoals het focussen/ontfocussen van heliostats, i.e spiegels, waar zorgvuldige controle van belang is; thermische opslag van de opgevangen energie die sterk afhankelijk is van de gebruikte media; of controle van de stroomsnelheid die het stromingspatroon negatief beïnvloedt en de stromingsdynamiek in de reactor verstoort. In tegenstelling tot de vaste reactor-openingen in de huidige ontwerpen, is het concept van de variabele opening in staat om de temperatuur en de efficiëntie te regelen, en zo een stabiele werking te bereiken.

Een grondige numerieke studie naar de fluïdumdynamica en thermische hydraulica van een zonnecollector wordt uitgevoerd. Overeenstemming tussen de numerieke CFD-resultaten en de experimenteel verkregen resultaten leidt tot de optimalisatie van het ontwerp van de ontvanger met zorgvuldige overweging en onderzoek van de vele factoren en aspecten van de stroming, d.w.z. warmteoverdracht, reactorgeometrie, stromingspatroon, stromingsconfiguratie, deeltjesparameters enz. Inzicht in deze aspecten leveren kritische ontwerpparameters en oplossingen op om de waargenomen thermische hotspots, temperatuur (non)-uniformiteit en koolstofdepositie te behandelen.