Titelaufnahme

Titel
Elektrolytische Solare Wasserspaltung bei erhöhten Temperaturen - Eine thermodynamische Analyse / von Esmaeil Esmaeili
Weitere Titel
Electrolytic Solar Water Splitting at Elevated Temperatures - A Thermodynamic Approach
VerfasserEsmaeili, Esmaeil
Begutachter / BegutachterinPonweiser, Karl
ErschienenWien, 2017
Umfang128 Seiten
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)solare Wasserstoff-Herstellung / elektrolytische Wasserspaltung / theoretischer Wirkungsgrad / Solarenergie-Speicherung
Schlagwörter (EN)electrolytic hydrogen generation / solar water splitting / solar energy storage / ultimate efficiency / Solid Oxide Photo-Electrochemical Cell / SOPEC
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-97419 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Elektrolytische Solare Wasserspaltung bei erhöhten Temperaturen - Eine thermodynamische Analyse [12.55 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Eine sichere und nachhaltige Energieversrgung stellt eine der großen Herausforderungen im dritten Jahrtausend dar. Solarenergie stellt eine der vielversprechenden Möglichkeiten zur Steigerung der Nutzung nachhaltiger Energie dar. Die natürliche Periodizität der Sonnenenergie und ihre ungleichmäßige Verteilung über der Erdoberfläche sind zwei entscheidende Hürden, 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 großes 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 für eine hohe Solar-zu-Wasserstoff Umwandlungsrate besitzt. Der ideale Wirkungsgrad, als Funktion der Bandlücke E g und eines Konzentrationsverhältnisses C von 100, ergibt eine Solar-zu-Wasserstoff-Rate von 60%, mit einem Konzentrationsverhältnis von 1000 steigt der ideale Wirkungsgrad auf 70% an. Basierend auf einigen aus den thermodynamischen Prinzipien abgeleiteten Annahmen, wurde eine Parameterstudie durchgeführt, um den optimalen Arbeitspunkt einer SOPEC abzuschätzen. 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 Wärmeleitung vernachlässigt wurden. Im eindimensionalen Modell wurde der opti-male Arbeitspunkt, der aus der Parameterstudie ermittelt wurde, angenommen, um einen theoretischen Ideal- und einen erhöhten Widerstand -Fall zu untersuchen. In beiden Fällen 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, für eine vernünftige 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 erhöhten Widerstand -Fall. Es konnte gezeigt werden, dass trotz der maximalen Wärmeübergangskoeffizienten der Umfangstemperaturgradient fast unverändert bleibt. Somit bleibt die Temperatur an der nicht beleuchteten Seite des rohrförmigen Receivers in einem relativ niedrigen Temperaturbereich, 400 C - 430 C. In diesem Temperaturbereich ist die Ionenleitfähigkeit der aktuell verfügbaren Elektrolyten zu niedrig, um eine vernünftige Stromdichte zu erreichen. Weiterhin findet eine axiale Temperaturabnahme entlang des Receivers statt. Diese ist auch eine inhärente Eigenschaft eines SOPEC-Receivers aufgrund des axial zunehmenden molaren Wasserstoff Anteils in einem SOPEC-Receiver und den dadurch höheren thermischen Verlusten, die durch das Gasgemisch im Kathodenkanal verursacht werden. Die axiale Temperaturabnahme im planaren Receiver ist kleiner als im tubularen Receiver. Wenn ein längerer SOPEC-Reciver bevorzugt wird, ist ein planarer Receiver im Vergleich zum tubularen Receiever vorteilhafter.

Zusammenfassung (Englisch)

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.