Na łamach kluczowego dla technologii wodorowych czasopisma International Journal of Hydrogen Energy ukazał się artykuł polskich badaczy dotyczący integracji wysokotemperaturowego reaktora jądrowego chłodzonego gazem (HTGR) z cyklami termochemicznego rozkładu wody (TWSC) w celu produkcji wodoru. Autorzy koncentrują się na dwóch perspektywicznych metodach: pętli miedziowo-chlorowej (Cu-Cl) i pętli siarkowo-jodowej (S-I). Te innowacyjne technologie, wykorzystując głównie ciepło przy ograniczonym dostępie do energii elektrycznej, mogą znacząco zwiększyć efektywność produkcji wodoru.
Publikacja dotyczy integracji wysokotemperaturowego reaktora jądrowego chłodzonego gazem (HTGR) z cyklami termochemicznego rozkładu wody (TWSC) w celu produkcji wodoru.
Zespół badaczy z Instytutu Energetyki – Państwowego Instytutu Badawczego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych dokonał znaczącego postępu analizując integrację wysokotemperaturowego reaktora jądrowego chłodzonego gazem (HTGR) z cyklami termochemicznego rozkładu wody (TWSC) w celu produkcji wodoru. Efekty prac, skupionych na dwóch obiecujących cyklach – miedziowo-chlorowym (Cu-Cl) i siarkowo-jodowym (S-I), proponują alternatywną metodę w metodach produkcji wodoru, w szczególności w zastosowaniach, w których dostępne są duże strumienie ciepła.
Główną zaletą technologii termochemicznych jest ich zmniejszona lub całkowicie wyeliminowana zależność od energii elektrycznej. Hybrydowy cykl Cu-Cl jest szczególnie wydajny, zdolny do redukcji entalpii ciepła technologicznego do temperatur tak niskich jak 120°C, zwiększając tym samym produkcję wodoru. Temu poziomowi redukcji ciepła nie dorównuje technologia S-I, która może obniżyć temperaturę czynnika roboczego do około 380°C, ale ma bardzo niskie zapotrzebowanie na energię elektryczną.
Biorąc pod uwagę warunki pracy planowanej instalacji demonstracyjnej, opartej na HTGR, przewidzianej do budowy w NCBJ, cykl Cu-Cl jest zalecany ze względu na lepsze wykorzystanie dostępnego ciepła i brak potrzeby dodatkowego podgrzewania medium. Wybór ten podkreśla wysoką sprawność i prostotę cyklu.
We wprowadzeniu do analizy podkreślono kluczową kwestię związaną z integracją reaktorów HTGR z elektrolizerami stałotlenkowymi (SOE). Proces ten jest dedykowany do instalacji i obiektów, w których dostępna jest energia elektryczna zaś możliwość wykorzystania pary dodatkowo i znacząca zwiększa sprawność procesu. W przypadku. Temu rozwiązaniu poświęcona jest kolejna publikacja zespołu IEN-PIB i NCBJ. Zbadanie alternatywnych technologii produkcji wodoru, które różnią się pod względem zapotrzebowania na energię elektryczną, ciepło i temperaturę mediów, co pozwala je dostosować do różnych obiektów i ciągów procesowych, ma kluczowe znaczenie dla szerszego ich zastosowania w wielu sektorach gospodarki.
Przedstawiona analiza wyklucza niektóre technologie, takie jak reforming parowy i piroliza metanu, ze względu na brak dostępności niezbędnych surowców w pobliżu oczekiwanej lokalizacji HTGR jak również ze względu na znaczący ślad węglowy tych procesów. Koncentrując się na wodzie jako podstawowym dostępnym zasobie, w studium uwzględniono jedynie elektrolizę i cykle termochemiczne do produkcji wodoru.
Termochemiczne cykle rozszczepiania wody (TWSC) to seria kontrolowanych reakcji chemicznych, które rozszczepiają wodę na wodór i tlen w umiarkowanych temperaturach. Badania przeprowadzone przez General Atomics zidentyfikowały 115 potencjalnych TWSC, które mogłyby wykorzystywać ciepło z reaktorów jądrowych do produkcji wodoru. Wśród nich cykl hybrydowy Cu-Cl okazał się obiecującą metodą, oferującą sprawność wyższą niż 43%.
Wyzwaniem w cyklach termochemicznych jest jednak możliwość osiągnięcia maksymalnej wydajności i sprawności przy jednoczesnej optymalizacji przepływów ciepła. Cykl siarkowo-jodowy (S-I), rozwijany od lat 70. XX wieku, wyróżnia się wysoką wydajnością, ale wiąże się z poważnymi wyzwaniami projektowymi i materiałowym, zatem nie osiągnął jeszcze skali komercyjnej.
Podsumowując, badanie oferuje kompleksową analizę dwóch alternatywnych cykli procesowych, S-I i Cu-Cl, do produkcji wodoru. Cykle te są korzystne w systemach, w których ciepło jest głównym źródłem energii, a energia elektryczna jest ograniczona. W szczególności metoda Cu-Cl wyróżnia się zdolnością do znacznego zmniejszenia wymaganych parametrów źródła ciepła technologicznego, co czyni ją obiecującym rozwiązaniem dla wydajnej produkcji wodoru, w instalacjach zintegrowanych z obiektami różnego typu.
Więcej o działalności IEn tutaj: https://ien.com.pl/
Publikacja źródłowa dostępna tutaj:
J. Hercog, J. Kupecki, B. Świątkowski, P. Kowalik, A. Boettcher, J. Malesa, E. Skrzypek, M. Skrzypek, D. Muszyński, G. Tchorek, Advancing production of hydrogen using nuclear cycles – integration of high temperature gas-cooled reactors with thermochemical water splitting cycles, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 52, Part B, 2024, Pages 1070-1083, ISSN 0360-3199,
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.333.
