Schlüsselwörter
(Englisch)
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Solar energy, solar hydrogen, photoelectrochemistry, concentrated solar, on-sun testing
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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In diesem Projekt wird die direkte Umwandlung von Sonnenenergie und Wasser in chemische Energie mittels eines photo-elektrochemischen Prozesses unter Verwendung von konzentrierter Sonnenstrahlung untersucht. Zu den Aufgaben des Projektes gehören die Auslegung und Realisierung eines skalierten Prototypen, die Montage in den Brennpunkt des Solar- Konzentrators, die Integration in ein Gesamtsystem, und das Langzeittesten unter realistischen Bedingungen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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This project investigates the direct conversion of solar energy and water into chemical energy via a photoelectrochemical process utilizing concentrated solar irradiation. The tasks of the project include the design and implementation of a scaled device prototype, its mounting into the focal spot of the solar dish, its integration into a complete system with various auxiliary system components, and its long-term testing under realistic conditions.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Holmes-Gentle, Tembhurne, Suter, Haussener, Dynamic system modeling of thermally integrated concentrated PV-electrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.12.151
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Schlussbericht
(Deutsch)
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ConPEC war ein dreijähriges Forschungsprojekt, das auf die Analyse, Entwicklung und Konstruktion eines skalierten und skalierbaren solaren Brennstoffreaktor-Designs und eines solaren Brennstoffverarbeitungssystems abzielte, das auf einem thermisch integrierten photoelektro-chemischen Ansatz basiert, der mit konzentrierter Sonneneinstrahlung arbeitet. Ein Ansatz, der zuvor im Labormaßstab und unter Laborbedingungen demonstriert wurde. Das Projekt umfasste die Integration dieses skalierten Solarreaktors in ein vollständiges Solaranlagensystem mit allen funktionell erforderlichen Hilfskomponenten (wie Konzentrator, Pumpe, Separator) und die Bewertung der Auswirkungen dieser Hilfskomponenten auf die Reaktor- und Systemleistung. Das implementierte System musste eine kW-Leistung erreichen und sollte über mehrere Tage unter wechselnden Sonneneinstrahlungsbedingungen stabil arbeiten. Darüber hinaus zielten wir darauf ab, die Möglichkeit des flexiblen Betriebs des Systems (nur bei Sonneneinstrahlung, Sonnen-Netz-Hybrid usw.) und die Abstimmbarkeit des Produktportfolios (nicht nur einschließlich Brennstoff, sondern auch Wärme und Elektrizität) zu untersuchen, um Wege für größere Kapazitätsfaktoren und einen wirtschaftlich wettbewerbsfähigen Betrieb vorzuschlagen. Schließlich wurde die Übertragbarkeit des Design-Ansatzes auf alternative elektrochemische Reaktionen (wie z.B. CO2-Reduktion) untersucht.
Im Rahmen des Projekts installierten wir auf dem Campus der EPFL einen kommerziellen Solar-Parabolkonzentrator mit einem Durchmesser von 7 m, der das Potenzial für eine Eingangsleistung von 38 kWth in das System hat. Wir entwickelten einen Solarreaktor mit einer Apertur und photoaktiven Fläche von 12x12 cm2, der in einem Eingangsleistungsbereich von ~15 kW arbeitet. Der Reaktor wurde so konstruiert und hergestellt, dass er im Brennpunkt des Sonnenkonzentrators betrieben werden kann, wo er solaren Einstrahlungsflüssen von bis zu 1600 kW/m2 ausgesetzt ist. Der Reaktor wurde in ein Komplettsystem integriert, das für einen automatisierten und kontinuierlichen Betrieb ausgelegt ist und Hilfskomponenten wie eine Pumpe, Wasserstoff-Wasser- und Sauerstoff-Wasser-Separatoren (beide eigens am Labor entwickelt), Deionisatoren und einen Sauerstoffkompressor erfordert. Das System wurde an den Druckwasserstoff- und Drucksauerstoffspeicher (20-30 bar) des Mikronetzes des Labors für verteilte elektrische Systeme (DESL) der EPFL angeschlossen.
Das System wurde mehreren Betriebstagen unter variablen Sonnenbedingungen ausgesetzt und demonstrierte die Produktion von bis zu 0.46 kg (oder 5680 NL) komprimiertem Wasserstoff an einem Tag (von 7.77 Stunden Sonnenbetrieb). Das typische Betriebspotential lag im Bereich von 55-60 V und der typische Betriebsstrom im Bereich von 55-62 A. Bei diesem Szenario mit dem längsten Tag lag der gemessene Solar-Wasserstoff-Systemwirkungsgrad bei 6.0%, der diagnostische Solar-Wasserstoff-Reaktorwirkungsgrad bei 21.2% und der Wirkungsgrad der Solar-Wasserstoff-Wärme-Kopplung bei 45.1%. Diese Leistungsmerkmale sind äußerst vielversprechend, und Anfang 2020 wurde ein Startup-Unternehmen gegründet (https://www.sohhytec.com/), das eine weitere Skalierung und Kommerzialisierung des Systems anstrebt. Es wurde eine öffentliche browserbasierte Online-Schnittstelle (https://solardish.epfl.ch/) entwickelt, die es ermöglicht, vergangene und zukünftige Kampagnen unserer Solarbrennstoffanlage online zu verfolgen, und die als Instrument für eine breite Öffentlichkeitsarbeit für interessierte Parteien in Wissenschaft, Industrie, Regierung und die breite Öffentlichkeit gedacht ist.
Die experimentellen Aktivitäten wurden von der Entwicklung eines transienten und gekoppelten multiphysikalischen Solaranlagenmodells begleitet, das die Untersuchung und Quantifizierung der Dynamik des Systems ermöglichte. Die Modellergebnisse liefern detaillierte Einblicke in die gekoppelte Natur des Systems, heben die Bedeutung und Einzigartigkeit der thermischen Integration und deren Einfluss auf die Systemdynamik hervor und quantifizierten die Hysterese im Betrieb, wenn das System plötzlichen Änderungen der Betriebsbedingungen (z.B. wechselnde DNI oder Durchflussraten) ausgesetzt ist. Das Modell wurde dann verwendet, um Regelungsstrategien für den Betrieb der Solaranlage bereitzustellen und um Betriebsstrategien für den Betrieb vorzuschlagen, die zu besseren Kapazitätsfaktoren führen. Diese Studien zeigen, dass - wenn z.B. ein hybrider Sonnen-Netz-Betrieb in Betracht gezogen wird - der Kapazitätsfaktor erheblich erhöht werden kann, insbesondere an Tagen mit schlechten Wetterbedingungen (d.h. große Transienten, starke Bewölkung). Darüber hinaus lieferte das Modell Richtlinien für den Betrieb bei der Kraft-Wärme-Kopplung von Brennstoff und Wärme. Wir konnten in der Tat experimentell zeigen, dass das Temperaturniveau der abgeleiteten Wärme mindestens im Bereich von 55°C lag (mit Potenzial für erhöhte Temperaturen durch eine verstärkte Isolierung der Rohrleitungen des Systems), wodurch täglich ~110 kWhth erneuerbarer Wärme zur Verfügung stehen, die in Wohn- und Industrieanwendungen genutzt werden kann.
Schließlich haben wir im photo-elektrochemischen Laboratorium gezeigt, dass eine CO2-Reduzierung zu CO mit dem gleichen konzentrierten integrierten photo-elektrochemischen Gerätedesign und der gleichen Idee der thermischen Integration möglich ist, wobei hervorgehoben wurde, dass potenziell die gleichen oder ähnliche Skalierungsansätze verfolgt werden können.
Dieses Projekt bietet eine der ersten und größten Leistungsdemonstrationen einer integrierten photo-elektrochemischen Vorrichtung, die unter konzentrierter Bestrahlung arbeitet und eine komplizierte thermische Integration nutzt. Die quantifizierte Leistung des Gesamtsystems gibt einen ersten Hinweis auf das Ausmaß der Leistungsreduzierung, die mit allen Hilfs-, aber notwendigen Komponenten in einem kompletten System einer Solarbrennstoff-Verarbeitungsanlage verbunden ist. Die experimentellen Daten zeigen, dass ein dynamischer und robuster Betrieb möglich ist, mit dem Potential, fortschrittliche Steuerungs- und/oder Betriebsflexibilisierungsansätze zu implementieren. Die 4-tägige experimentelle Kampagne deutet auf die Machbarkeit eines stabilen längerfristigen Betriebs hin.
Die Forschung trägt zum grundlegenden Verständnis des Betriebs von konzentrierten integrierten photo-elektrochemischen Vorrichtungen bei, bietet eine einzigartige Plattform für die Untersuchung der Langzeitleistung von konzentrierten integrierten photo-elektrochemischen Vorrichtungen unter realistischen Betriebsbedingungen und wird die Entwicklung einer marktfähigen Vorrichtung und eines kompletten Systems unterstützen. Das Projekt bietet eine Demonstration der Machbarkeit konzentrierter integrierter photo-elektrochemischer Ansätze in großem Maßstab und zu vertretbaren Kosten und spricht sich daher für die Fortsetzung und Intensivierung der photo-elektrochemischen Forschung aus.
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Schlussbericht
(Englisch)
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In the framework of the project, we installed a commercial 7m-diameter solar parabolic concentrator on EPFL campus with the potential for 38 kWth input power to the system. We developed a solar reactor with an aperture and photoactive area of 12x12 cm2, operating at an input power range of ~15 kW. The reactor was designed and manufactured to be able to sustain operation in the focal spot of the solar concentrator, being exposed to solar irradiation fluxes up to 1600 kW/m2. The reactor was integrated into a complete system that was designed for automated and continuous operation, requiring auxiliary components such as a pump, hydrogen-water and oxygen-water separators (both designed in-house), de-ionizers, and an oxygen compressor. The system was connected to the compressed hydrogen and oxygen storage (20-30 bar) of the micro-grid of the Distributed Electrical Systems Laboratory at EPFL.
The system was exposed to multiple days of operation under variable solar conditions and demonstrated the production of up to 0.46 kg (or 5680 NL) of compressed hydrogen in one day (of 7.77 hours of on-sun operation). The typical operational potential was in the range of 55-60 V and the typical operational current was in the range of 55-62A. For this longest-day scenario, the measured solar-to-hydrogen system efficiency was 6.0%, the solar-to-hydrogen diagnostic device efficiency was 21.2%, and the co-generation solar-to-hydrogen&heat efficiency was 45.1%. These performance characteristics are extremely promising and a startup company was established in early 2020 (https://www.sohhytec.com/), aiming at further scaling and commercializing the system. A public browser-based online interface (https://solardish.epfl.ch/) was developed that allows to follow past and future campaigns of our solar fuel plant online, and is meant as a broad outreach tool to interested parties in academia, industry, government, and the broad public.
The experimental activities were accompanied by the development of a transient and coupled multi-physics solar plant model which allowed for the investigation and quantification of the dynamics of the system. The model results provide detailed insights in the coupled nature of the system, highlight the importance and uniqueness of the thermal integration and how it affects the system dynamics, and quantified the hysteresis in operation when exposed to sudden changes in operating conditions (e.g. changing DNI or flow rates). The model was then used to provide controlling strategies for the operation of the solar plant as well as to propose operational strategies for operation leading to better capacity factors. These studies show that when – for example – hybrid sun-grid operation is considered, the capacity factor can be considerably increased, especially during days with bad weather conditions (i.e. large transients, many clouds). Additionally, the model provided guidelines for the operation for the co-generation of fuel and heat. We were able to show experimentally that the temperature level of the rejected heat was at least in the range of 55°C (with potential for increased temperatures by increasing the insulation of the piping of the system), providing daily ~110 kWhth of renewable heat usable in residential and industrial applications.
Finally, we have shown in the laboratory photoelectrochemical device that CO2 reduction to CO was possible with the same concentrated integrated photoelectrochemical device design and thermal integration idea, highlighting that potentially the same or similar scaling approaches can be followed.
This project provides one of the first and largest power demonstrations of an integrated photoelectrochemical device operating under concentrated irradiation and utilizing intricate thermal integration. The quantified performance of the overall system gives first evidence on the magnitude of performance reduction associated with all auxiliary but necessary components in a complete solar fuel processing plant system. The experimental data shows that dynamic and robust operation is possible, with the potential to implement advanced controlling and/or operational flexibilization schemes. The 4-days experimental campaign hints at the feasibility of stable longer term operation.
The research contributes to the basic understanding of operating concentrated integrated photoelectrochemical devices, provide a unique platform for the investigation of the long-term performance of concentrated integrated photoelectrochemical devices exposed to realistic operating conditions, and will support the development of a marketable device and complete system. The project provides demonstration of the feasibility of concentrated integrated photoelectrochemical approaches on large scales and at reasonable expenses, and therefore makes a case for the continuation and intensification of photoelectrochemistry research.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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ConPEC était un projet de recherche de 3 ans qui visait l'analyse, le développement et la conception d'une conception de réacteur à combustible solaire à l'échelle et modulable et d'un système de traitement du combustible solaire basé sur une approche photoélectrochimique intégrée thermiquement fonctionnant avec une irradiation solaire concentrée, une approche qui a été démontrée précédemment à l'échelle du laboratoire et dans des conditions de laboratoire. Le projet comprenait l'intégration de ce réacteur solaire à échelle réduite dans un système de centrale solaire complet avec tous les composants auxiliaires nécessaires au fonctionnement (tels que concentrateur, pompe, séparateur) et l'évaluation de l'impact de ces composants auxiliaires sur le rendement du réacteur et du système. Le système mis en oeuvre devait atteindre une puissance de l'ordre du kW et devait fonctionner de manière stable pendant plusieurs jours exposés à des conditions d'irradiation solaire changeantes. En outre, nous avons cherché à explorer la possibilité d'un fonctionnement flexible du système (sur le soleil uniquement, hybride soleil-réseau, etc.) et la possibilité d'adapter le portefeuille de produits (comprenant non seulement le combustible, mais aussi la chaleur et l'électricité), afin de proposer des voies pour des facteurs de capacité plus importants et un fonctionnement économiquement compétitif. Enfin, la transférabilité de l'approche de conception à des réactions électrochimiques alternatives (telles que la réduction du CO2) a été étudiée.
Dans le cadre de ce projet, nous avons installé un concentrateur solaire parabolique commercial de 7 m de diamètre sur le campus de l'EPFL, avec un potentiel de 38 kWth de puissance d'entrée dans le système. Nous avons développé un réacteur solaire avec une ouverture et une surface photoactive de 12x12 cm2, fonctionnant à une puissance d'entrée de ~15 kW. Le réacteur a été conçu et fabriqué pour pouvoir fonctionner dans le point focal du concentrateur solaire, étant exposé à des flux d'irradiation solaire allant jusqu'à 1600 kW/m2. Le réacteur a été intégré dans un système complet conçu pour un fonctionnement automatisé et continu, nécessitant des composants auxiliaires tels qu'une pompe, des séparateurs hydrogène-eau et oxygène-eau (tous deux conçus en interne), des dé-ioniseurs et un compresseur d'oxygène. Le système a été connecté au stockage d'hydrogène et d'oxygène comprimé (20-30 bar) du micro-réseau du Laboratoire des systèmes électriques distribués de l'EPFL.
Le système a été exposé à plusieurs jours de fonctionnement dans des conditions solaires variables et a démontré la production de jusqu'à 0.46 kg (ou 5680 NL) d'hydrogène comprimé en un jour (sur 7.77 heures de fonctionnement au soleil). Le potentiel opérationnel typique se situait dans la plage de 55-60 V et le courant opérationnel typique dans la plage de 55-62A. Pour ce scénario de journée la plus longue, l'efficacité mesurée du système solaire-hydrogène était de 6.0%, l'efficacité diagnostic du réacteur solaire-hydrogène était de 21.2%, et l'efficacité de la cogénération solaire-hydrogène-chaleur était de 45.1%. Ces caractéristiques de performance sont extrêmement prometteuses et une start-up a été créée au début de 2020 (https://www.sohhytec.com/), dans le but de poursuivre la mise à l'échelle et la commercialisation du système. Une interface en ligne basée sur un navigateur public (https://solardish.epfl.ch/) a été développée pour permettre de suivre en ligne les campagnes passées et futures de notre centrale à combustible solaire, et est conçue comme un outil de sensibilisation à grande échelle pour les parties intéressées dans les universités, l'industrie, le gouvernement et le grand public.
Les activités expérimentales ont été accompagnées par le développement d'un modèle de centrale solaire multi-physique transitoire et couplé qui a permis d'étudier et de quantifier la dynamique du système. Les résultats du modèle fournissent des informations détaillées sur la nature couplée du système, soulignent l'importance et le caractère unique de l'intégration thermique et la manière dont elle affecte la dynamique du système, et quantifient l'hystérésis en fonctionnement lorsqu'elle est exposée à des changements soudains des conditions de fonctionnement (par exemple, changement de DNI ou de débit). Le modèle a ensuite été utilisé pour fournir des stratégies de contrôle pour l'exploitation de la centrale solaire ainsi que pour proposer des stratégies opérationnelles d'exploitation conduisant à de meilleurs facteurs de capacité. Ces études montrent que lorsque - par exemple - le fonctionnement hybride du réseau solaire est envisagé, le facteur de capacité peut être considérablement augmenté, en particulier pendant les jours où les conditions météorologiques sont mauvaises (c'est-à-dire les grands transitoires, les nuages d'origine humaine). En outre, le modèle a fourni des lignes directrices pour l'exploitation de la cogénération de carburant et de chaleur. Nous avons en effet pu montrer expérimentalement que le niveau de température de la chaleur rejetée était au moins de l'ordre de 55°C (avec un potentiel d'augmentation des températures en augmentant l'isolation de la tuyauterie du système), fournissant par jour ~110 kWhth de chaleur renouvelable utilisable dans des applications résidentielles et industrielles.
Enfin, nous avons montré en laboratoire que la réduction du CO2 en CO était possible avec la même conception de dispositif photoélectrochimique intégré concentré et la même idée d'intégration thermique, ce qui souligne que des approches d'échelle potentiellement identiques ou similaires peuvent être suivies.
Ce projet constitue l'une des premières et des plus grandes démonstrations de puissance d'un dispositif photoélectrochimique intégré fonctionnant sous irradiation concentrée et utilisant une intégration thermique complexe. La performance quantifiée du système global donne une première preuve de l'ampleur de la réduction de performance associée à tous les composants auxiliaires mais nécessaires dans un système complet d'usine de traitement de combustible solaire. Les données expérimentales montrent qu'un fonctionnement dynamique et robuste est possible, avec la possibilité de mettre en oeuvre des schémas avancés de contrôle et/ou de flexibilité opérationnelle. La campagne expérimentale de 4 jours laisse entrevoir la faisabilité d'un fonctionnement stable à plus long terme.
La recherche contribue à la compréhension fondamentale du fonctionnement des dispositifs photoélectrochimiques intégrés concentrés, fournit une plateforme unique pour l'étude des performances à long terme des dispositifs photoélectrochimiques intégrés concentrés exposés à des conditions de fonctionnement réalistes, et soutiendra le développement d'un dispositif commercialisable et d'un système complet. Le projet démontre la faisabilité des approches photoélectrochimiques intégrées concentrées à grande échelle et à des coûts raisonnables, et plaide donc en faveur de la poursuite et de l'intensification de la recherche en photoélectrochimie.
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