Efficiency analysis of solar driven two-step thermochemical water splitting processes based on metal oxide redox pairs

Lange, Matthias; Pitz-Paal, Robert

doi:33443

Efficiency analysis of solar driven two-step thermochemical water splitting processes based on metal oxide redox pairs = Energetische Untersuchung von solar betriebenen, auf Redoxpaaren basierenden, zweistufigen thermochemischen Prozessen zur Wasserspaltung

Lange, Matthias (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Lange

ImpressumAachen 2014

UmfangXIV, 153 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Druckausg.: Lange, Matthias: Efficiency analysis of solar driven two-step thermochemical water splitting processes based on metal oxide redox pairs

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-06-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51265
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/444960/files/5126.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Solartechnik (DLR) (412920)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wasserstoff (Genormte SW) ; Sonnenenergie (Genormte SW) ; Prozesssimulation (Genormte SW) ; Dynamische Modellierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; thermochemischer Kreisprozess (frei) ; solar hydrogen (frei) ; thermochemical cycle (frei) ; dynamic process modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden solar betriebene thermochemische Kreisprozesse zur Wasserstoffproduktion untersucht, welche auf Metalloxid-Redoxpaaren basieren. Solche Prozesse stellen einen möglichen Weg dar, Wasserstoff nachhaltig zu produzieren, da nur Solarenergie und Wasser eingesetzt werden. Im Ersten Teil wird ein thermodynamischer Ansatz basierend auf T-S-Diagrammen und Pinch-Point-Analysen angewendet, um den Einfluss verschiedener Prozessbedingungen auf den theoretisch möglichen Wirkungsgrad zu bestimmen. Die Ergebnisse vermitteln ein tiefgehendes Verständnis des Prozesses und sind für künftige Arbeiten zur Prozessauslegung von Nutzen.Über diesen theoretischen Ansatz hinaus wurde Simulationsarbeit basierend auf einem spezifischen Reaktordesign und Redoxmaterial (Nickelferrit) durchgeführt. Um den stark instationären Charakter des Prozesses zu berücksichtigen, wurde ein dynamisches Reaktormodell entwickelt und anschließend in ein Prozessflowsheet integriert. In einem ersten Schritt wurde die Obergrenze des Prozesswirkungsgrades bestimmt. Dazu wurden alle Prozesskomponenten bis auf den Reaktor als ideal angenommen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Materialeigenschaften des Redoxpaares äußerst wichtig sind, um einen akzeptablen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Kinetik der Redoxreaktion und die Sauerstoffaufnahmekapazität des Metalloxids müssen deutlich höher sein als im untersuchten Fall. Nur so kann der Prozess konkurrenzfähig im Vergleich zum Benchmark - mit Solarstrom betriebene Wasserelektrolyse - werden.Im Anschluss wurden alle peripheren Komponenten vom idealen Verhalten auf realistische Werte umgestellt. Das führte zu dem Ergebnis, dass der maximal mögliche Sauerstoffpartialdruck, bei dem das Metalloxid noch reduziert werden kann, auch eine entscheidende Rolle spielt. Entweder müssen Materialien gefunden werden, die bei höheren Partialdrücken reduziert werden können, oder es müssen effizientere Methoden gesucht werden, um verunreinigtes Spülgas aufzureinigen.Der letzte Teil dieser Arbeit vergleicht Receiverkonzepte, die in der Literatur zum untersuchten Prozess aufgeführt werden. Obwohl Konzepte, die das Redoxmaterial in Partikelform nutzen, technisch anspruchsvoll sind, sollten diese Konzepte auf Grund des größten Potentials für höhere Wirkungsgrade weiterentwickelt werden.

In the present work, solar-driven two-step thermochemical cycles for hydrogen production based on metal oxide redox pairs have been investigated. Such cycles provide a possible method to generate hydrogen in a sustainable way using only renewable energy and water. In the first part, a thermodynamic approach based on T-S diagrams and pinch-point analyses was applied to determine the influence of specific process conditions on the maximum theoretical efficiency. As the results provide a deep understanding of the process, they are of practical use for future work on conceptual process layout. In addition to that theoretical approach, simulation work based on a specific reactor design and redox material (nickel ferrite) was carried out. To account for the strong transient behaviour of the process, a dynamic reactor model was developed and integrated in a process flowsheet. In a first step, the upper limit of the process efficiency was determined by assuming all components upstream and downstream of the reactor to work ideally. The simulation results reveal that the material properties of the redox pair are crucial for the process to become feasible regarding its efficiency. The kinetics of the redox reaction as well as the oxygen uptake capacity of the metal oxide need to be increased drastically. Only then, the process may become competitive compared to the benchmark process, which is water electrolysis powered by solar-generated electricity. Further, the metal oxide in the reactor should be as dense as possible to minimize the specific thermal losses.In a next step, all peripheral components of the process were changed from ideal behaviour to more realistic conditions. This study reveals that the maximum partial pressure of oxygen at which the metal oxide can still be reduced is also a determining property. Either materials which can be reduced at higher partial pressures have to be found or more efficient ways to regenerate oxygen-diluted sweep gas need to be developed.The last part of the present work discusses all relevant receiver concepts which have been proposed in literature for the process at hand. Although concepts which apply the redox material in the form of particles are challenging from an engineering point of view, these concepts should be investigated further, because they hold the greatest potential to reach higher efficiencies.

Fulltext:
PDF