Electrolytic solar water splitting at elevated temperatures : a thermodynamic approach

Autor: Esmaeili, Esmaeil
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2017
Předmět:
DOI: 10.34726/hss.2017.38120
Popis: Eine sichere und nachhaltige Energieversrgung stellt eine der gro��en Herausforderungen im dritten Jahrtausend dar. Solarenergie stellt eine der vielversprechenden M��glichkeiten zur Steigerung der Nutzung nachhaltiger Energie dar. Die nat��rliche Periodizit��t der Sonnenenergie und ihre ungleichm����ige Verteilung ��ber der Erdoberfl��che sind zwei entscheidende H��rden, die einer weit verbreiteten Verwendung im Weg stehen. Die Speicherung der Sonnenenergie als chemische Energie durch direkte Wasserstofferzeugung ist ein Verfahren, das viel Interesse erzeugte und dem gro��es Potenzial zugeschrieben wird. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Nutzung von Solarenergie zur direkten Wasserspaltung bei moderaten Temperaturen, 500-900�� C, basierend auf einer Solid Oxide Photoelectrochemical Cell (SOPEC). Obwohl der photoelektrochemische Effekt in diesem Temperaturbereich kaum experimentell untersucht wurde, zeigt die nach den Grundgesetzen der Ther- modynamik berechnete Effizienz, dass diese Technologie ein Potenzial f��r eine hohe Solar-zu-Wasserstoff Umwandlungsrate besitzt. Der ideale Wirkungsgrad, als Funktion der Bandl��cke E g und eines Konzentrationsverh��ltnisses C von 100, ergibt eine Solar-zu-Wasserstoff-Rate von 60%, mit einem Konzentrationsverh��ltnis von 1000 steigt der ideale Wirkungsgrad auf 70% an. Basierend auf einigen aus den thermodynamischen Prinzipien abgeleiteten Annahmen, wurde eine Parameterstudie durchgef��hrt, um den optimalen Arbeitspunkt einer SOPEC abzusch��tzen. Es wurde ein eindimensionales Modell in Matlab �� anhand des Finite-Volume-Verfahren implementiert, um den Spannungsabfall, die Stromdichte und die Wasserstoff-Erzeugungsrate in einem Linienfokussystem zu approximieren, wobei Verluste durch Konvektion- und W��rmeleitung vernachl��ssigt wurden. Im eindimensionalen Modell wurde der opti-male Arbeitspunkt, der aus der Parameterstudie ermittelt wurde, angenommen, um einen theoretischen Ideal- und einen erh��hten Widerstand -Fall zu untersuchen. In beiden F��llen wurden zwei Profile, tubular & planar, anhand eines dreidimensionalen FEM-Modell in ANSYS �� Workbench��untersucht, basierend auf den Randbedingungen, die durch das eindimensionale Modell berechnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die erforderliche Temper-atur (ca.600 �� C), an der beleuchteten Seite beider Profile, f��r eine vern��nftige Stromdichte realisiert werden kann, basierend auf Elektrolyten des Stands der Technik. Es liegt ein hoher umlaufender Temperaturgradient zwischen der beleuchteten und der unbeleuchteten Seite des Recievers im Rohrprofil vor, im theoretischen Ideal- und im erh��hten Widerstand -Fall. Es konnte gezeigt werden, dass trotz der maximalen W��rme��bergangskoeffizienten der Umfangstemperaturgradient fast unver��ndert bleibt. Somit bleibt die Temperatur an der nicht beleuchteten Seite des rohrf��rmigen Receivers in einem relativ niedrigen Temperaturbereich, 400 �� C - 430 �� C. In diesem Temperaturbereich ist die Ionenleitf��higkeit der aktuell verf��gbaren Elektrolyten zu niedrig, um eine vern��nftige Stromdichte zu erreichen. Weiterhin findet eine axiale Temperaturabnahme entlang des Receivers statt. Diese ist auch eine inh��rente Eigenschaft eines SOPEC-Receivers aufgrund des axial zunehmenden molaren Wasserstoff Anteils in einem SOPEC-Receiver und den dadurch h��heren thermischen Verlusten, die durch das Gasgemisch im Kathodenkanal verursacht werden. Die axiale Temperaturabnahme im planaren Receiver ist kleiner als im tubularen Receiver. Wenn ein l��ngerer SOPEC-Reciver bevorzugt wird, ist ein planarer Receiver im Vergleich zum tubularen Receiever vorteilhafter.
Access to sustainable energy sources introduces one of the major challenges in the third millennium. Solar energy seems to be one of the highly promising methods to increasing the utilization of sustainable energy. The natural periodicity of solar energy and being distributed unevenly over the earth's surface are two crucial drawbacks to its widespread adoption. The production of hydrogen by means of solar energy is generating interest as a method with particularly great potential in chemical energy storage. Utilization of solar energy for direct water splitting at intermediate temperatures, 500- 900 �� C, based on a solid-state photoelectrochemical cell (SOPEC) is the scope of this thesis. Although, the photo electrochemical effect at this temperature range has hardly been experimentally investigated yet, the efficiency, computed based on the basic laws of thermodynamics, show that this technology possess a potential for a high solar-to-hydrogen conversion rate. The ultimate efficiency as a function of band gap E g and a concentration ratio C of 100 yields a 60% solar-to-hydrogen rate, with an increased concentration ratio of C = 1000 the ultimate efficiency rises to 70%. Based on several assumptions derived from the thermodynamic principles, a sensitivity-analysis was performed to estimate the optimal working point of a SOPEC cell. Furthermore, a one-dimensional model in Matlab �� by finite-volume approach as a general tool was deployed to approximate the voltage drop, current density and hydrogen generation rate in a line focus system, while neglecting the heat convection- and conduction losses. The one-dimensional model was fed by the optimal working point gained from the sensitivity-analysis to investigate a theoretical best- and an increased resistance -case. For each case, two profiles, tubular & planar, were studied with a three-dimensional FEM-model in ANSYS �� -Workbench, based on the boundary conditions that were estimated by the one-dimensional model. The results indicate that the required temperature (approx. 600 �� C), at the illuminated side of both profiles, for a reasonable current density can be realised, based on the state of the art electrolytes. Furthermore, a high circumferential temperature gradient between the illuminated and the non-illuminated side of the receiver in the tubular profile, either in the theoretical best- or in the increased resistance -cases, is present. It could be shown, that even based on the maximum reasonable heat transfer coefficient, the circumferential temperature gradient remains approximately unchanged. Thus, the temperature at the non-illuminated side of the tubular receiver stays in a relatively low temperature range, 400 �� C - 430 �� C. At this temperature range the ionic conductivity of state of the art electrolytes is too low for gaining a reasonable current density. Furthermore, an axial temperature decrease along the receiver takes place and is also an inherent property of a SOPEC receiver due to the increasing hydrogen molar fraction in a SOPEC receiver and subsequently higher thermal losses caused by the gas mixture in the cathode channel. The axial temperature decrease in the planar receiver is smaller than in the tubular receiver. Hence, if a longer SOPEC receiver is preferred, a planar receiver is more advantageous in comparison to the tubular receiver.
Databáze: OpenAIRE
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