< Terug naar vorige pagina

Project

Experimenteel testen en analyse van warmteoverdracht van een chemische reagerende stroming in een iris gestuurde zonne-reactor.

Het thermisch kraken van aardgas gebruikmakend van zonne-energie heeft aanzienlijke interesse en onderzoeksinspanningen verworven tot het bekomen van waterstof als energiedrager via ontkoling van fossiele brandstoffen vrij van broeikasgasemissies. De technologie maakt gebruik van geconcentreerde zonne-energie om de endothermische dissociatie reactie in stand te houden binnen in de zonne-reactor. Hieruit volgt de thermische pyrolyse van methaan. Twee waardevolle producten worden bekomen uit dit emissie-vrij proces, zijnde waterstof en carbon black. Carbon black is een essentieel additief in de productie van rubbers, inkt, batterijen en bepaalde polymeren. Waterstof, daarentegen, is een onmisbare grondstof in de petrochemische industrie en biedt het voordeel aan gemakkelijker transporteerbaar te zijn over lange afstanden. Deze zogenaamde zonne-brandstoffen maken een belangrijk onderdeel uit van een transitiepad naar een waterstofeconomie.

Terwijl vandaag de dag industrieel carbon black geproduceerd wordt via pure verbranding in hoogovens dat inherent gepaard gaat met de emissie van aanzienlijke hoeveelheden aan CO2 uitstoot, is de zonne-thermische dissociatie van aardgas een aantrekkelijk alternatief, vrij van ongewenste verbrandingsproducten. Conventionele productie van waterstof wordt voornamelijk geproduceerd via stoomreforming van aardgas, alsook partiële oxidatie reforming en auto-thermische reforming. Deze productie methodes impliceren grote ecologische effecten omwille van de CO2 uitstoot en partiële verbranding van de reagentia (methaan) om de nodige endothermische proceswarmte te leveren bij methaan reforming. Zonne-thermisch kraken van methaan wordt hierom beschouwd als een veelbelovend alternatief.

Technische uitdagingen gaan gepaard met deze technologie en verhinderen de succesvolle commercialisatie van dit thermochemische proces. Eén van deze uitdagingen is het fluctuerend gedrag van zonnestraling door de variabele positie, de onbeschikbaarheid ’s nachts en veranderlijke beschikbaarheid bepaald door de weersomstandigheden en tijdstip overdag. Een andere belangrijke technische uitdaging is de agglomeratie van de koolstofpartikels, gevormd door de ontledingsreactie binnen in de reactor. De partikels in de gas-vaste flow blijven hangen aan de reactorwand, het quartz glas (opening van de reactor voor de geconcentreerde zonne-straling) en stapelen zich op ter hoogte van de uitlaat in rechtstreeks stralingsverwarmde zonne-reactoren. Dit fenomeen leidt verder tot verstopping van de reactor uitlaat, met alle onomkeerbare gevolgen van dien.

De doelstelling van deze doctoraatsthesis richt zich op het adresseren en overkomen van de vooropgesomde uitdagingen, via diepgaande numerische en experimentele studies over warmte-overdracht, thermische hydraulica flow dynamics van de chemisch reagerende flow in de zonne-reactor. De eerste technische uitdaging wordt geadresseerd via het gebruik van een variabele opening dat in staat is constante thermische condities te handhaven in de reactor, ongeachte de beschikbare zonne-energie aan de opening van de reactor. Deze techniek overtreft andere gebruikelijke controle methodes zoals het focussen van heliostats waarbij nauwgezette controle van het gehele heliostat-veld noodzakelijk is; thermische opslag van de zonne-energie dat voornamelijk afhangt van het gebruikte opslagmedium en bijhorende materiaaleigenschappen; alsook het controleren van het inlaatdebiet van de reagerende flow waarbij dit neveneffecten met zich meebrengt op het stromingspatroon en de flow dynamics negatief worden beïnvloed. In tegenstelling tot vaste openingen in huidige zonne-reactoren, biedt deze variabele opening de mogelijkheid om temperatuur en efficiëntie van het systeem te controleren en zodoende deze stabiel te houden.

Compleet inzicht in thermisch krakings-proces van methaan vereist zorgvuldig onderzoek en inachtneming van vele factoren en aspecten gerelateerd aan de reagerende flow, zoals warmte-overdracht, reactor geometrie, stromingspatroon, verblijftijd, thermochemische kinetics enz. Deze inzichten zullen kritische ontwerpparameters en oplossingen voortbrengen om zo onder andere om te gaan met de technische uitdaging van de koolstofpartikels. Een analyse van de chemische reagerende flow wordt onderzocht via ontwikkeling van een model voor het simuleren van oa. de flow dynamics en bijhorende warmte-overdracht binnen in de reactor. Overeenkomst tussen de numerische en experimenteel bekomen resultaten bepalen de succesvolle voltooiing van het doctoraatsonderzoek.

Datum:1 okt 2015  →  Heden
Trefwoorden:solar thermal energy, solar reactor, variable aperture
Disciplines:Elektrische energietechniek, Energieopwekkings-, conversie- en opslagtechniek
Project type:PhD project