Materials and reactors for solar thermochemical processes
Authors: Τσογγίδης Νικόλαος 
Published: July 2022

Η αξιοποίηση της συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας αποτελεί τεχνολογία, που εντάσσεται στην κατηγορία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και καλείται να αντιμετωπίσει την πρόκληση διαχείρισης της διαλείπουσας φύσης της ηλιακής ενέργειας. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται τεχνολογίες υλικών και αντιδραστήρων/διεργασιών για την περαιτέρω ανάπτυξη ηλιοθερμοχημικών μεθόδων παραγωγής ενεργειακών φορέων με μηδενικό/ουδέτερο αποτύπωμα άνθρακα. Για να επιτευχθεί ο σκοπός αυτός, η έρευνα επικεντρώθηκε σε συγκεκριμένες προκλήσεις που αντιμετωπίζει ο τομέας των ηλιοθερμοχημικών διεργασιών. Αρχικά, μελετήθηκε πειραματικά η ανάπτυξη καταλυτικών υλικών για την αντίδραση διάσπασης του τριοξειδίου του θείου (SO3) σε διοξείδιο του θείου (SO2), η οποία αποτελεί βασική χημική αντίδραση για θερμοχημικούς κύκλους με βάση το στοιχειακό θείο, με στόχο τη θερμοχημική αποθήκευση ενέργειας και την παραγωγή υδρογόνου (Η2). Παρήχθησαν και αξιολογήθηκαν πειραματικά, μικτά οξείδια με βάση το Fe2O3 και το CuO, προερχόμενα τόσο από τη βιομηχανία όσο και συντεθειμένα στο εργαστήριο. Στα υλικά αυτά, προστέθηκαν μικτά οξείδια αλουμινίου-πυριτίου (Al-Si) ως συνδετικό μέσο, για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων. Αναπτύχθηκαν, ως εκ τούτου, καταλυτικά υλικά με βάση άφθονα, μη τοξικά, και χαμηλού κόστους μεταλλικά οξείδια, για την αντικατάσταση καταλυτικών συστημάτων ακριβών ευγενών μετάλλων, όπως είναι κυρίως ο λευκόχρυσος (Pt) και δευτερευόντως τα παλάδιο, ρουθήνιο και ρόδιο (Pd, Ru και Rh). Τα υλικά αυτά αποτελούσαν καταλυτικά δομές υπό μορφή σφαιριδίων, διαμέτρου ~1 mm και μονολιθικών κεραμικών αφρών, με στόχο να ενταχθούν σε κατάλληλη διάταξη δέκτη συγκεντρωτικής ηλιακής ακτινοβολίας. Βάσει των αποτελεσμάτων, επιτεύχθηκε σταθερός βαθμός μετατροπής για συνεχόμενη έκθεση διάρκειας >1000 h στις συνθήκες της αντίδρασης, ενώ ο βαθμός μετατροπής του SO3 σε SO2 ανήλθε σε ~60%, σε πολύ κοντινή τιμή σε σχέση με το υλικό αναφοράς (~62% σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία), που αποτελεί ο καταλύτης Pt/Al2O3 με περιεκτικότητα 1% στο ευγενές μέταλλο. Τέλος, η μηχανική αντοχή των σωματιδίων παρέμεινε σε ιδιαίτερα ικανοποιητικά και σταθερά επίπεδα (τάση θραύσης >20 Ν), χωρίς να παρατηρείται θραύση τους μετά από την πολύωρη έκθεσή τους. Εν συνεχεία, η διατριβή αφιερώθηκε στην ανάπτυξη υπολογιστικών προσομοιώσεων, με στόχο τη μελέτη της μεταφοράς δεσμευμένου διοξειδίου του άνθρακα (CO2) μέσω αγωγών και έπειτα τη μετατροπή του σε ηλιακά καύσιμα σε συνδυασμό με ηλιακό H2, που παράγεται από θερμοχημικούς κύκλους, όπως επί παραδείγματι οι θερμοχημικοί κύκλοι θείου ή μεταλλικών οξειδίων. Μεταξύ άλλων, ποσοτικοποιήθηκε η επίδραση προσμείξεων/ακαθαρσιών ανάλογα με την τεχνολογία δέσμευσης του CO2 στο κόστος της μεταφοράς, λαμβάνοντας υπόψη για πρώτη φορά παράγοντες όπως το κόστος δικαιωμάτων διέλευσης και ακριβέστερων υπολογισμών της τριβής και πτώσης πίεσης του αγωγού. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκε λεπτομερής μελέτη περίπτωσης για τη μεταφορά του (μέσω αγωγού και των απαιτούμενων υποστηρικτικών διατάξεων) από λιγνιτική μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Πτολεμαΐδα και την αξιοποίησή του σε ηλιοθερμοχημικό εργοστάσιο στην περιοχή της Θεσσαλονίκης προς παραγωγή μεθανόλης και καυσίμων Fischer-Tropsch. Επιπλέον, αναλύθηκε η μεταφορά δεσμευμένου CO2 από πολλαπλές πηγές στην Κεντρική Ευρώπη προς πολλαπλές περιοχές αποδεκτών στη Νότια Ευρώπη, όπου είναι εφικτή η εγκατάσταση ηλιοθερμοχημικών μονάδων. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά συναρτήσεις κόστους για την ολοκληρωμένη μεταφορά και αξιοποίηση του CO2 προς ηλιακά καύσιμα με βάση τις οποίες βελτιστοποιήθηκε ο σχεδιασμός του προβλήματος των πολλαπλών πηγών/πολλαπλών αποδεκτών και εξήχθησαν σημαντικά συμπεράσματα για τη μελλοντική ανάπτυξη δικτύων αξιοποίησης του CO2.