Multiphysics modelling of an indirectly irradiated reactor for solar thermochemical fuel production: Optimal operation and integration of perovskite redox materials

La produzione di combustibili basata su processi termochimici rappresenta un promettente approccio per immagazzinare in modo efficiente energia solare, sfruttando materiali redox per favorire la reazione di dissociazione delle molecole d’acqua e/o anidride carbonica. Questo processo permette di produrre idrogeno rinnovabile e carburanti sintetici con un’efficienza teorica molto alta, grazie all’assenza di step intermedi di conversione di energia. Nonostante ciò, lo sviluppo di tali sistemi è ostacolato da basse efficienze sperimentali raggiunte finora, principalmente dovute alle alte temperature richieste, perdite per irraggiamento e un limitato grado di riduzione dei materiali redox considerati tutt’ora, quali la ceria. Per migliorare le performance, materiali alternativi come le perovskiti o migliorie nel design dei reattori, fra cui configurazioni irradiate indirettamente con recupero di calore, sono state esplorate. Questo studio investiga lo step di riduzione di un reattore indirettamente irradiato contenente ceria, sfruttando un modello 3D multi-fisico sviluppato sul software commerciale COMSOL Multiphysics®. Il modello simula il completo accoppiamento tra campo di velocità, scambio del calore e chimica della reazione redox. Le performance del reattore e le sue condizioni ottimali di operazione nel caso standard sono state analizzate ipotizzando l’equilibrio termodinamico tra la fase gassosa e quella solida, simulata come mezzo poroso costituito da ceria con porosità dual-scale secondo lo stato dell’arte. La semplificazione dell’equilibrio termodinamico è stata verificata a diversi livelli di pressione integrando la cinetica di riduzione nel modello esistente. Un metodo generale per implementare la termodinamica di un generico materiale redox a diversi valori di temperatura e pressione parziale di ossigeno è stato sviluppato e integrato nel modello. Con tale aggiunta, due perovskiti (SrTi0.5Mn0.5O3 and CaTi0.5Mn0.5O3) sono state considerate come materiali redox alternativi, non essendo ancora state riportate in letteratura. Dal momento che le proprietà termofisiche di questi materiali non sono ancora ben documentate, un’analisi di sensitività è stata condotta per valutarne l’influenza sulle performance del reattore, considerando valori ragionevoli come prima approssimazione.