Projekt

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A solar-thermal membrane reactor for the energy-efficient and continuous production of renewable syngas from CO2, H2O, and sunlight

Gesuchsteller/in Michalsky Ronald
Nummer 166883
Förderungsinstrument Ambizione Energie
Forschungseinrichtung Institut für Energietechnik ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Maschineningenieurwesen
Beginn/Ende 01.06.2016 - 31.05.2019
Bewilligter Betrag 575'367.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Maschineningenieurwesen
Chemische Verfahrenstechnik

Keywords (15)

Renewable fuels; Syngas; Concentrated solar technology; Membrane technology; High-temperature reaction engineering; Energy conversion and storage; Carbon dioxide reduction; Water splitting; Hydrogen; Thermochemical redox cycle; Rational materials design; Metal oxide; Oxygen ion diffusion; Surface science; Density functional theory

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Chemische Brennstoffe wie Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, können durch thermochemische Redoxprozesse aus CO2, Wasser und Sonnenlicht hergestellt werden. Erneuerbares Synthesegas ist der Grundbaustein für die industrielle Herstellung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie Diesel, Benzin, und Kerosin, und damit eine Alternative zur umweltschädlichen Nutzung begrenzter fossiler Rohstoffe. Obwohl die Nutzung von konzentriertem Sonnenlicht als Prozesswärme bei hoher Temperatur eine effiziente Energieumwandlung gewährleisten könnte, können mit der existierenden Reaktortechnologie maximal 3.5% der Sonnenenergie im diskontinuierlich produzierten Synthesegas gespeichert werden.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

 

Das Ziel unserer Arbeit ist es einen sonnenbetriebenen Membranreaktor zu entwickeln, der solarthermische Hitze effizient in chemische Bindunsenergie umwandelt, die in kontinuierlich hergestelltem Synthesegas speichert wird. Dazu werden wir einen Reaktor konstruieren, der CO2 und Wasser auf der Innenseite einer keramischen Membran spaltet, den abgetrennten Sauerstoff über die Membran transportiert, und ihn auf der Aussenseite der röhrenförmigen Membran als O2 freizetzt. Die Evaluation dieses Reaktors bei Realprozessbedingungen, d.h., 1200-1600°C, wird die Grundlage für eine anschließende theoretische Modellierung des Prozesses sein. Diese wiederum wird der Ausgangspunkt für eine maßstabgerechte Vergrößerung in einen 5 kW Solarreaktor um 10% der gesammelten Sonnenenrgie in den hergestellten chemischen Brennstoffen zu speichern.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

 

Unsere Arbeit erstrebt es eine Reaktortechnologie zu entwickeln, die die existierenden Technologien zur Konzentration von Sonnenlicht und zur Synthese von Kohlenwasserstoffen praktisch verbindet um nachhaltig erneuerbares Diesel, Benzin, und Kerosin herzustellen. Da die globale Infrastruktur für die Nutzung chemischer Brennstoffe, insbesondere die des Transportsektors, auf Kohlenwasserstoffe angepasst ist, könnte diese Reaktortechnologie direkt genutzt werden. Über diese Anwendung hinaus werden die Erkenntnisse unserer Arbeit in die nah angrenzenden Forschungsgebiete, wie die Entwicklung von Brennstoffzellen oder keramischen Katalysatoren, einfliessen.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 07.07.2016

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Solar-Driven Thermochemical Splitting of CO2 and In Situ Separation of CO and O2 across a Ceria Redox Membrane Reactor
Tou Maria, Michalsky Ronald, Steinfeld Aldo (2017), Solar-Driven Thermochemical Splitting of CO2 and In Situ Separation of CO and O2 across a Ceria Redox Membrane Reactor, in Joule, 1(1), 146-154.

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
170735 Solar Concentrator-Reactor Setup for the Thermochemical Production of Renewable Liquid Fuels from H2O and CO2 01.12.2016 R'EQUIP

Abstract

This proposal aims at the development, evaluation, and scale-up of a novel solar-driven membrane reactor for an energy-efficient and continuous conversion of abundant CO2, H2O, and sunlight into renewable syngas, a mixture of CO and H2. Syngas is the precursor for synthetic liquid hydrocarbon fuel, such as diesel, gasoline and kerosene for transportation. We introduce a membrane reactor that utilizes concentrated solar radiation for the thermochemical splitting of CO2 and H2O at the surface of metal oxide membrane into CO and H2, while the abstracted oxygen is conducted across the redox material and liberated as O2 on the other side of the tubular membrane. To approach theoretical solar-to-fuel energy conversion efficiencies of up to 70-75% for a solar-driven thermochemical fuel production, the key factors of this novel reactor technology are (i) realization of an isothermal redox cycle which circumvents the energy penalties and materials stress due to repeated heating and cooling of the redox material, (ii) realization of a continuous solar fuel production due to concurrent formation of CO/H2 and O2 in different reactor compartments as well as utilization of lower operating temperatures that may allow the use of stored solar-thermal energy for process heat, and (iii) control of fuel production rates with the thickness of the active membrane layer. The goal of this work is to manufacture metal oxides with high oxygen conductivities, such as certain non-stoichiometric ceria and perovskite compositions, into the first of its kind tubular redox membranes. The CO, H2, and combined CO/H2 production rates with these materials will be evaluated via a parametric study of major process control parameters, such as temperature, the partial pressures of O2 and oxidant, and membrane thickness, composition, and long-term stability. The experimental data will be employed for the development of a reactor model via computational fluid dynamic methods and to guide the design of advanced membrane material compositions via density functional theory. The gained understanding will be utilized ultimately to design, construct and test a 5 kW solar-driven multi-tube membrane reactor for the continuous production of syngas. The reactor performance will be assessed with the solar concentrating facilities of the Professorship of Renewable Energy Carriers at ETH Zürich (PREC-ETH), Switzerland. This revolutionary approach towards the production of solar fuels combines the current understanding of solar-thermal processing and materials science for solid oxygen conductors, which we expect to augment the solar-to-fuel energy conversion efficiency of solar-thermochemical fuel production processes to new record values exceeding 10%, making solar fuels thereby economic competitive. The continuous production of solar syngas will facilitate the direct coupling of the membrane reactor to state of the art Fischer-Tropsch technology for the production of synthetic liquid hydrocarbon fuel.
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