Termokimyasal redoks döngüleri, suyun ayrıştırılması, hidrojen üretimi ve CO2 geri dönüşüm gücünü ortaya çıkarmak için ısıdan yararlanma konusunda muazzam bir potansiyele sahiptir. Güneş enerjili termokimyasal hidrojen (STCH), yüksek sıcaklıktaki endüstrilerin karbondan arındırılmasının önünü açan ve temiz, uzun mesafeli ulaşımı mümkün kılan devrim niteliğinde ve ölçeklenebilir bir teknolojidir. Mevcut STCH tasarımları güneş ışığının %7’sini kullanarak hidrojen üretimini sağlamaktadır. Bu tasarımlarının verimi sınırlıdır ve mali açıdan çok yüksektir. Yapılan yeni çalışmalar sonucunda güneş ısısının %40’ının kullanılabileceği tahmin ediliyor. Dahası, uygun fiyatlı termal enerji depolamayı benimseyerek yenilenebilir enerji kaynaklarının kesinti sorununu zarif bir şekilde ortadan kaldırıyor. STCH parlak bir şekilde parlasa da verimlilik sınırlamaları, malzeme aşınması ve yıpranması ve maliyetlerin ağırlığı gibi engellerle karşı karşıyadır.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için Reaktör Dizi Sistemi (RTS) kullanılmıştır. Katı ısı geri kazanımı ve sistemin seryum döngüsünden gelen atık, ısıyı geri dönüştürmesine olanak tanıyor. Bu hareket, termokimyasal oksijen pompalama (TcOP) sürecinin arkasındaki güç merkezi olan güçlü stronsiyum demir oksidin (SFO) termal bozunmasını önemli ölçüde azaltır. RTS ayrıca azaltılmış termal şoku, aşamalı oksijen gidermeyi ve termal enerji depolama ile entegrasyonu da kapsar. Bu unsurlar bir arada daha verimlidir, enerji kullanımını optimize eder ve sistem performansını yükseltir.
RTS, indirgeme süreci üzerinde daha iyi kontrol sağlayan ve daha düşük sıcaklıklarda indirgeme boyutunu artıran aşamalı oksijen gidermeyi içerir. Bu sadece STCH sisteminin verimliliğini artırmakla kalmıyor, aynı zamanda yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintisinin üstesinden gelmek için düşük maliyetli termal enerji depolamanın kullanılmasına da olanak tanıyor. RTS’nin termal enerji depolamayla entegrasyonu, 24 saat hidrojen üretimi sağlayarak karbonsuz hidrojen yakıtına yönelik artan talebi karşılamak için güvenilir ve sürdürülebilir bir çözüm haline getiriyor.
Ek olarak, STCH döngülerindeki indirgeme adımı, yüksek sıcaklıklar ve düşük oksijen kısmi basıncı (pO2) ile ilgili zorlukları da beraberinde getiriyor. Düşük pO2‘de çalışmak, gerekli indirgeme sıcaklığını (Tred) düşürdüğü veya aynı Tred’de indirgeme boyutunu arttırdığı için tercih edilir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için çok aşamalı vakum pompaları, inert gaz taraması, TcOP ve elektrokimyasal oksijen pompalaması gibi çeşitli pO2 azaltma planları araştırılmıştır. TcOP’nin RTS ile entegrasyonu daha önce incelenmiş ve etkili bir çözüm olma potansiyeli ortaya konmuştur.
Seryum elementinin oksitlenmiş hali olan Ceria ve SFO (SrFeO3), STCH sisteminde sırasıyla stokiyometri olmayan δ ve γ ile redoks döngüsüne girer. Seryum indirgenir, oksijen açığa çıkar ve bu daha sonra SFO tarafından emilir ve oksitlenmesine neden olur. Oksitlenmiş SFO daha sonra tekrar oksijeni absorbe edecek şekilde yenilenir. Bu döngüler arasındaki termal entegrasyon, seryum döngüsünden gelen atık ısının SFO’yu azaltmak için kullanılmasını sağlayarak genel verimliliği artırır1.
Termokimyasal oksijen pompalama yöntemi olan TcOP’nin entegrasyonu, 100 Pa’nın altındaki oksijen kısmi basınçları (pO2) için mekanik vakum pompalarına ve inert gaz taramasına göre avantajlar sunar. Mekanik pompalar, orta vakum basınçlarında sınırlı verime sahiptir ve yüksek basınç nedeniyle maliyetlidir. İnert gaz taraması ise inert gaz üretimi için yüksek miktarda enerji tüketir. Mevcut çalışma, TcOP’nin STCH sistemlerine dahil edilmesine yönelik çeşitli şemaları inceleyen bir termodinamik analiz içermektedir. TcOP’nin RTS, alıcı-reaktörler ve hareketli redoks sistemleri dahil olmak üzere farklı STCH sistemleriyle entegrasyonu da araştırılmaktadır. Yani, RTS ile TcOP kombinasyonu, mevcut STCH sistemlerinin karşılaştığı zorlukların üstesinden gelmek için umut verici bir çözüm sunmaktadır.
Verimliliği artıran, malzeme bozulmasını azaltan ve termal enerji depolamayı entegre eden bu yenilikçi yaklaşım, karbonsuz hidrojen yakıtı üretiminde devrim yaratarak daha yeşil ve daha sürdürülebilir bir geleceğe katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.
Analizin metodoloji bölümü, kullanılan redoks malzemeleri ve yapılan varsayımlar hakkında önemli ayrıntılar sağlar. Bu çalışmada dikkate alınan redoks malzemeleri, suyu ayıran redoks malzemesi olarak kullanılan seryum (CeO2) ve TcOP redoks malzemesi olarak kullanılan stronsiyum demir oksittir (SFO veya SrFeO3). Ceria, STCH sistemlerinde yaygın olarak kullanılan, iyi çalışılmış bir malzemedir; SFO ise sensörler, gaz ayırma ve termokimyasal enerji depolama gibi çeşitli uygulamalar için umut vaat etmektedir.
Analizde elde edilen niceliksel sonuçlar büyük ölçüde, sırasıyla seryum ve SFO’nun stokiyometri dışı değerlerini gösteren δ(T, pO2) ve γ(T, pO2) ile temsil edilen redoks termodinamiğine dayanmaktadır. Analizde kullanılan çerçeve diğer redoks malzeme çiftlerini değerlendirmek için uyarlanabilse de, sonuçların malzemelerin belirli termodinamiğine ve kinetiğine bağlı olarak değişebileceğinden dikkatli olunmalıdır. Redoks malzemeleri ile bunların yerel gaz ortamı arasında termodinamik denge olduğu varsayılmaktadır. Seryaya ilişkin termodinamik veriler Panlener’den alınırken SFO stokiyometrisi olmayan, Bulfin’in korelasyonu kullanılarak hesaplanır. SFO için indirgeme entalpisinin 80 kJ/mol olduğu varsayılır ve indirgeme kinetiklerinin hızlı olduğu 1500 °C’de seryum indirgenmesinin meydana geldiği varsayılır. Hızlı kinetik sağlamak için SFO oksidasyon sıcaklıkları 350 °C’nin üzerinde sınırlıdır.
Ancak araştırmacıların endişesi, bu çalışmada dikkate alınan spesifik koşullar altında SFO oksidasyon kinetiğine ilişkin verilerin bulunmamasıdır. Daha düşük pO2 seviyelerinde oksidasyon kinetiğini doğru bir şekilde belirlemek için daha fazla veriye ihtiyaç duyulmaktadır. SFO morfolojisinin ve reaktör tasarımının, hız sınırlayıcı adıma dayalı olarak oksidasyon oranlarını maksimuma çıkaracak şekilde optimize edilebileceği önerilmektedir.
Mevcut çalışma, reaksiyonların sonsuz hızlı gerçekleşeceğini varsaymaktadır ve düşük basınçlarda oksijenin seryumdan SFO’ya transferini hız belirleyici adım olarak dikkate almaktadır. Redoks malzemelerini, bunların termodinamiğini dikkate alarak ve özel varsayımlar yapar. Analiz, güneş termokimyasal hidrojen üretimi için önerilen MIT sisteminin performansı ve potansiyel zorlukları hakkında değerli bilgiler sağlar. Kademeli bir şekilde çalışan birden fazla reaktöre sahip STCH sistemleri için, karşıt hareket eden STCH ve TcOP reaktörleri akışları arasında doğrudan ve basınç ile yönlendirilen oksijen transferini öneriliyor. Bu dinamik yaklaşım yüksek bir verimlilik sergiliyor. Tek, geniş bir indirgeme odasına sahip STCH sistemleriyle uğraşırken farklı bir teknik ortaya çıkıyor. Bu senaryoda, oksijeni STCH’den TcOP malzemesine taşımak için tercih edilen yöntem olarak bir inert gaz taraması öneriyoruz. İnert gaz ısıtma ve pompalamayla ilgili enerji cezaları, son derece etkili bir ısı eşanjörünün kullanılmasıyla bile caydırıcı derecede büyük olabileceğinden, bu yaklaşımın zorluklarla birlikte geldiğini unutmamak önemlidir.
Tüm inert gaz döngüsünü atmosfer altı basınçta çalıştırmak. Bu yenilikçi konsepti benimseyerek, inert gazın molar akış hızını başarılı bir şekilde azaltarak, gazın yeniden ısıtılmasında ve pompalama enerjisi cezalarında önemli azalmalara yol açıyor. Sonuç olarak, kapsamlı araştırma, 10 Pa’nın altındaki düşük pO2 seviyelerinde, TcOP’nin vakum pompalamaya göre enerji açısından daha verimli bir alternatif olduğunu ortaya koyuyor. Üstelik mekanik vakum pompalarının sınırlamalarını aşan, uygun maliyetli bir çözüm olma potansiyeline sahiptir. Bu bulgularla STCH ve TcOP’un el ele çalıştığı, bizi sürdürülebilir ve verimli enerji sistemlerine doğru yönlendirdiği bir geleceğin kapısını açıyor.
Kaynaklar
Harika bir yazı! Yenilikçi enerji çözümleri ve gelismeleri hakkında çok bilgilendim. Gelecek için umut verici!