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中国在太阳能燃料研究方面取得新进展

2020.11.06 来自:中国科学院工程热物理研究所

近年来,聚光太阳能利用逐渐成为能源领域中的国际前沿热点。太阳能热化学循环制取太阳能燃料被认为是最具发展前景的聚光太阳能热利用方式之一。


聚光太阳能可实现不同聚光比条件下驱动碳氢燃料参与的化学反应,实现太阳能互补系统的燃料转化。太阳能燃料制备的主要瓶颈是热化学循环反应温度高、辐射热损失大、不可逆损失严重,导致能量转换效率低。为解决该瓶颈,中国科学院工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室提出了聚光太阳能化学链循环方法。


该方法主要原理如下:天然气在聚光太阳能作用下还原载氧体生成CO和H₂,被还原的载氧体与空气等反应进行载氧体的再生,CO和H₂即为所需的太阳能燃料。上述方法可将热化学反应温度从1000℃以上降低至600℃左右,不仅能降低太阳能集热岛的辐射热损失,还能降低热化学反应的不可逆损失,具有将太阳能利用效率提升约5~10%的潜力。


高反应转化率和循环稳定性的载氧体材料是实现聚光太阳能化学链制取太阳能燃料的关键。为提高燃料转化率与合成气选择性,中国科学院工程热物理研究所分布式研究团队与美国北卡罗来纳州立大学、西佛吉尼亚大学研究团队合作,研制了高反应性、高选择性的复合离子电子导体(MIEC)载氧体,并深入探索了复合离子电子导体载氧体的循环反应性。与单独离子电子导体载氧体相比,新型复合载氧体可将反应转化率从~20%提升至90%以上,且达到接近100%的合成气选择性;复合载氧体在50次循环反应中具有较高的循环稳定性。


为进一步提高循环反应性、降低反应温度,中国科学院工程热物理研究所分布式研究团队从反应分离以及工艺流程优化的思路入手,通过反应器的设计和反应循环的分离过程对化学链制氢反应的反应路径进行优化,进一步实现了反应性能的提升。团队研发了多孔蜂窝型化学链反应器,并研究了Ni基载氧体在该反应器上的天然气化学链制氢反应性能。与传统的甲烷重整反应制氢(约800℃)相比,通过化学链循环方法可将反应温度降低至600℃以下,该反应温度可与低聚光比的槽式聚光太阳能相结合,降低辐射热损失,提升太阳能利用效率。此外,该反应实现了甲烷化学链制氢的高效转化。甲烷转化率可达到90%以上,同时30次循环反应表明其循环反应性与稳定性优异。聚光太阳能化学链循环方法不仅实现了太阳能的高效利用,同时能够减少温室气体排放,实现了高效、低碳、清洁的太阳能利用。


上述实验研究为实现聚光太阳能化学链制取太阳能燃料奠定重要实验基础,为解决当前聚光太阳能热化学能量转换效率低的瓶颈提供了新方法。该研究受到了国家自然科学基金重大研究计划项目的资助和支持。


相关成果如下:


1.Experimental study on honeycomb reactor using methane via chemical looping cycle for solar syngas.


Applied Energy,2020,268,114995.


2.Mixed Conductive Composites for‘Low-Temperature'Thermo-chemical CO₂Splitting and Syngas Generation.


Journal of Materials Chemistry A,2020,8(26),13173-13182.


图:聚光太阳能与甲烷互补系统


图:天然气化学链制氢反应示意图

图:天然气化学链制氢反应性能结果


太阳能是十分具有前景的清洁能源,随着科技的发展,太阳能燃料将广泛应用于人们的生产生活。将太阳能用于金属、矿物生产等领域将大大降低对化石燃料的依赖,同时减少化石燃料带来的污染;将太阳能作为反应热源用于含碳燃料如煤、生物质和焦油的降解和气化可有效提高燃料的品质和清洁度;将太阳能用于水和二氧化碳分解从而生产氢气和一氧化碳,实现氢和碳的循环利用将完全改变以往以化石燃料为主的能源结构。此前,国际能源署太阳能热发电和热化学组织特别设置了“太阳能燃料路线图”项目,我国西安交通大学等单位参与其中。国际社会对于太阳能燃料也在积极投入研发和示范,市场方兴未艾。愿太阳能燃料能早日进入人们的日常生活中。




相关线下活动:


第十一届光热发电中国聚焦大会2020(2021年3月,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2020(时间待定,阿联酋迪拜)


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