Efficiency potential of solar thermochemical reactor concepts with ecological and economic performance analysis of solar fuel production

Falter, Christoph; Pitz-Paal, Robert; Sizmann, Andreas

doi:HT019456659

Efficiency potential of solar thermochemical reactor concepts with ecological and economic performance analysis of solar fuel production = Wirkungsgradpotenzial solar-thermochemischer Reaktor-konzepte mit einer Analyse der ökologischen und ökonomischen Leistungsfähigkeit solarer Kraftstoffherstellung

Falter, Christoph^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Falter

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XVIII,234 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor)^RWTH* ; Sizmann, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-06526
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/695878/files/695878.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/695878/files/695878.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird der Produktionspfad alternativer Kraftstoffe, beruhend auf der solaren thermochemischen Spaltung von Wasser und Kohlendioxid in Wasserstoff und Kohlenmonoxid durch Redoxreaktionen eines Metalloxids, und deren Konversion zu flüssigen Kraftstoffen durch die Fischer-Tropsch-Synthese, untersucht. Diese Kraftstoffe könnten den Transportsektor vollständig dekarbonisieren und so erheblich zur Reduktion seiner Klimawirkung beitragen. Es wurde ein generisches Modell zur Beschreibung solarer thermochemischer Reaktoren mit Wärmeübertragern entwickelt, in dem das reduzierte Redox-Material zwischen Reduktions- zur Oxidationskammer eine Zahl an Wärmeübertragerkammern durchläuft, in denen es das kalte Material, das sich im Gegenstrom bewegt, durch Wärmestrahlung erwärmt. In einer ersten Evolutionsstufe des Modells wird unendlich schnelle Wärmeausbreitung im Material angenommen und der Einfluss der Trennwand zwischen heißem und kaltem Material vernachlässigt. Das Wirkungsgradpotential liegt über 80%, wobei der Wirkungsgrad mit höheren Reaktionstemperaturen steigt und seinen höchsten Wert im Bereich von 10-100 Pa des Reduktionsdrucks erreicht, was am Zielkonflikt zwischen größerem Energiebedarf der Vakuumerzeugung bei sinkendem Druck und gleichzeitig erhöhter Synthesegasproduktion liegt. In einer zweiten Evolutionsstufe des Modells wird der Einfluss der Trennwand berücksichtigt und die Wärmeausbreitung im Material simuliert. Der Wärmeübertragerwirkungsgrad hat ein Potential von etwa 70%, wobei die Wärmediffusion im Redox-Material der limitierende Faktor ist. Das System kann verbessert werden durch eine Erhöhung der Porosität und eine Optimierung der Materialdicke sowie Verweilzeit im Wärmeübertrager. Durch einen vorteilhaften Entwurf des Wärmeübertragers können Wirkungsgrade nahe dem optimalen Falle unendlich schneller Wärmediffusion realisiert werden. Das Modell wurde angepasst zur Beschreibung des Wärmetausches zwischen gegenläufig bewegten undurchmischten Partikel-Festbetten in einer zylindrischen Geometrie. Der Wärmeübertragerwirkungsgrad weist ein Potential nahe 60% auf, welches durch den Wärmetransport im Partikelbett limitiert ist. Der Wirkungsgrad kann z.B. durch die optimale Wahl der Bettdicke, der Länge des Wärmeübertragers, der Partikelgröße und der Geschwindigkeit der Betten verbessert werden. Die Untersuchung wird durch eine ökologische und ökonomische Analyse einer Produktionsanlage für Kraftstoff mit einer Kapazität von 1000 Barrel Kerosin pro Tag (bpd) und 865 bpd Naphtha ergänzt. Wasser wird aus Meerwasserentsalzung gewonnen, Kohlendioxid aus der Luft eingefangen, der thermochemische Wirkungsgrad liegt bei 20% und Prozesswärme und Elektrizität werden durch die Umwandlung solarer Primärenergie und Verbrennung des gasförmigen Anteils der Fischer-Tropsch-Produkte gewonnen. Der Umwandlungswirkungsgrad einfallenden Sonnenlichts zum Heizwert der produzierten Kraftstoffe beträgt 5,0%. Die Ökobilanz des Prozesses ergibt Treibhausgasemissionen von 0,49 kgCO2-eq.pro Liter Kerosin, was einer Reduktion von über 80% gegenüber konventionellem Kraftstoff entspricht. Die Treiber der Emissionen sind die Herkunft des Kohlendioxids und Stroms, die Verbrennung der gasförmigen Fischer-Tropsch-Produkte und die Errichtung der Anlage zur Konzentration des Sonnenlichts. Der Wasserverbrauch beträgt 7,4 Liter pro Liter Kerosin am Ort der Anlage und 40,2 Liter für externe Prozesse und liegt damit um Größenordnungen unter dem von Biokraftstoffen und ist in etwa gleich dem von fossilen Kraftstoffen. Die flächenbezogene Produktivität ist 3,3 × 104 Liter Kerosinäquivalent pro Hektar und Jahr, was niedriger ist als die der besten Power-to-Liquid-Pfade, jedoch etwa eine Größenordnung über der von Biokraftstoffen liegt. Die ökonomische Untersuchung mit der Annuitätenmethode ergibt Kosten von 2,23 € pro Liter Kerosin für die betrachtete Produktionsanlage. Die Treiber der Produktionskosten sind die Errichtung und der Betrieb der solaren Konzentrationsanlage, die Erzeugung von CSP-Strom am Standort, der Kohlendioxideinfang und die Lebenszeit der Anlage. Der thermochemische Wirkungsgrad und die solare Einstrahlung definieren die Größe der Anlage zur solaren Konzentration und haben daher einen wichtigen Einfluss auf die Ökobilanz und die Produktionskosten. Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchung ist, dass die Herstellung eines solaren Kraftstoffes mit deutlich niedrigeren Emissionen als konventioneller Kraftstoff eine erneuerbare Quelle sowohl für Kohlendioxid als auch für Elektrizität benötigt. Dies kann durch Kohlendioxideinfang aus der Luft und die Erzeugung solaren Stroms bewerkstelligt werden. Werden positive Entwicklungen der einzelnen Prozessschritte angenommen, so kann von Produktionskosten von 1,28 € pro Liter Kerosin bei Treibhausgasemissionen von 0,10 kgCO2-eq. ausgegangen werden. Die Erreichung hoher thermochemischer Wirkungsgrade ist entscheidend für die Entwicklung eines ökonomischen Herstellungsprozesses aufgrund des direkten Einflusses auf die benötigte Größe der Anlage zur Konzentration des Sonnenlichtes. Die vorgestellten Modelle können für die fortgesetzte und umfassende Analyse des Kraftstoffproduktionspfades einschließlich des großen Parameterraumes beim Entwurf solarer thermochemischer Reaktoren verwendet werden und stellen somit ein wertvolles Werkzeug für die weitere Forschung und Auslegung dar.

The alternative fuel production pathway by solar thermochemical splitting of water and carbon dioxide into hydrogen and carbon monoxide by redox reactions of a metal oxide, and their subsequent conversion into liquid fuels by Fischer-Tropsch synthesis, is investigated. These fuels could provide a means to completely decarbonize the transport sector and thus to significantly reduce its climate impact. A generic model is developed for the description of solar thermochemical reactors including heat exchangers, where reduced elements of redox material move from the reduction to the oxidation chamber through a number of heat exchanger chambers, in which they transfer energy by radiation to the cold elements moving in counter-flow. In a first implementation of the model, infinitely fast thermal diffusion within the material is assumed and the influence on heat exchange of the wall separating the hot from the cold elements is neglected. A heat exchanger efficiency potential of over 80% is determined, where efficiency is increased towards higher reaction temperatures and reaches its maximum value in the reduction pressure range of 10-100 Pa due to a trade-off between additional energy requirements for vacuum pumping and enhanced fuel productivity. In a second implementation of the model, the effect of the separating wall is considered and heat diffusion in the porous redox material is solved. Heat exchanger efficiency is found to have a potential of about 70%, where heat diffusion in the redox material is identified to be a limiting factor for heat exchange. The system can be enhanced by increasing the porosity as well as optimizing material thickness and total residence time of the elements in the heat exchanger. Through an efficient design of the heat exchanger, efficiencies close to the optimal case of infinitely fast heat diffusion can be reached. The model is adapted for the description of heat exchange between two unmixed particle beds moving in opposite directions in a cylindrical enclosure. Heat exchanger efficiency is found to have a potential of close to 60% and to be limited by heat transfer within the particle beds which can be enhanced e.g. by optimizing the bed diameter, heat exchanger length, particle size, and the velocity of the beds. The analysis is complemented by an assessment of ecological and economic performance of a baseline case fuel production plant. The baseline assumptions are that the plant has an output of 1000 barrels per day (bpd) of jet fuel and 865 bpd of naphtha, uses water from seawater desalination and carbon dioxide by capture from the atmosphere, has a thermochemical efficiency of 20%, and uses heat and electricity provided by conversion of solar primary energy and combustion of the gaseous Fischer-Tropsch products. The energy conversion efficiency from incident sunlight to lower heating value of the produced fuels is determined to be 5.0%. A life cycle analysis shows greenhouse gas (GHG) emissions of 0.49 kgCO2-eq. per liter of jet fuel, which is a reduction of over 80% compared to conventional jet fuel. The main drivers of the GHG emissions are identified to be the origins of carbon dioxide and electricity, the combustion of gaseous Fischer-Tropsch products, and the construction of the solar concentration infrastructure. The water consumption is 7.4 liters per liter jet fuel for on-site processes and 40.2 liters for off-site processes, which is orders of magnitude lower than that of biofuels and about equal to that of fossil fuels. The area-specific productivity is 3.3 × 104 liters of jet fuel equivalents per hectare and year, which is lower than the best power-to-liquid pathways but about an order of magnitude higher than that of biofuels. An economic model based on the annuity method shows production costs of 2.23 € per liter of jet fuel for the baseline case. The economic drivers are the construction and operation of the solar concentration facility, the provision of electricity by an on-site concentrated solar power plant, carbon dioxide capture, and the lifetime of the fuel production plant. Thermochemical efficiency and solar irradiation have an important influence both on the GHG emissions and the plant economics through their determination of the required size of the solar concentration facility. It is found that jet fuel production with emissions significantly lower than conventional fuel requires a renewable source both for carbon dioxide and for electricity, such as carbon dioxide capture from the atmosphere and electricity generation from sunlight. Assuming favorable development of the involved process steps, production costs of 1.28 € per liter jet fuel at greenhouse gas emissions of 0.10 kgCO2-eq. per liter are estimated. The realization of high thermochemical efficiencies is crucial for the development of an economic fuel production pathway due to its direct influence on the required size of the solar concentration facility. The developed models can be used for the continued comprehensive analysis of the fuel production pathway including the large parameter space in the design of solar thermochemical reactors and thus provide a valuable tool for further research and design.

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