Μελέτη της παραγωγής υδρογόνου από νερό σε θερμοκρασίες κάτω από 300C με καταλυτική χρήση οξειδίων του σιδήρου και δυνάμεων Lorentz

Abstract

The strong interest in the production of hydrogen as a low-carbon energy carrier is not new. In recent decades, a wide range of scientists have investigated the possibilities of hydrogen production from various sources, as well as its transport and storage. As well as its use for the provision of final energy services without emissions. Research on hydrogen has largely focused on the use of fuel cells in the transport sector. What is different nowadays is both the range of possibilities from the use of hydrogen that is being discussed and the strong interest shown by the respective governments of all places for fuels that do not emit gaseous pollutants. Hydrogen is increasingly a key element of mainstream energy discussions in almost all countries, with hydrogen being seen as a potentially valuable and wide-ranging fuel for the future of energy. Today's coalition of voices in favor of hydrogen includes renewable electricity suppliers, industrial gas producers, electric and natural gas utilities, automakers, oil and gas companies, major engineering firms, and the governments of most of the world's largest economies. It also includes those who use or could use hydrogen as a raw material for industrial production and not just for energy. In 2017, the Hydrogen Council was created to bring together relevant private sector actors. Its management team now has 33 members at CEO and chairman level and 21 supporting members. The possibility that these influential actors will work together to ensure project delivery and market development is an important indication that hydrogen may now have the kind of committed cross-sector support it needs for the future. In this doctoral thesis, the analytical model of the effect of Lorentz forces on the enhancement of hydrogen production, which is produced by thermal hydrolysis on an iron oxide surface, is presented. Dropping water molecules onto the surface of an iron oxide bead results in the release of oxygen ions due to the breaking of existing bonds at relatively high temperatures. These ions can be directed from the surface into the interior of the oxide, towards the bulk of the iron oxide, due to the Lorentz forces which are perpendicular to the surface of the magnetic bead, thus allowing the release of new oxygen ions from the water molecules. Lorentz forces are created by the interaction between a properly oriented in-plane magnetic induction, perpendicular to an also applied in-plane electric field. The mobility of oxygen ions is enabled due to the significant amount of oxygen vacancies (VOs) in the bulk iron oxide and is modeled analytically as a diffusion mechanism, dominated by forced displacement assisted by the Lorentz force.

Το έντονο ενδιαφέρον για την παραγωγή του υδρογόνου ως ενεργειακού φορέα χαμηλών εκπομπών άνθρακα δεν είναι καινούργιο. Τις τελευταίες δεκαετίες ένα ευρύ φάσμα επιστημόνων έχει ερευνήσει τις δυνατότητες παραγωγής υδρογόνου από διάφορες πηγές, καθώς και την μεταφορά και την αποθήκευση του. Όπως και την χρήση του για την παροχή τελικών ενεργειακών υπηρεσιών χωρίς εκπομπές. Οι ερεύνα για το υδρογόνο επικεντρώθηκε σε μεγάλο βαθμό στη χρήση κυψελών καυσίμου στον τομέα των μεταφορών. Αυτό που διαφοροποιείται στις μέρες μας είναι τόσο το εύρος των δυνατοτήτων από την χρήση υδρογόνου που συζητείται όσο και το έντονο ενδιαφέρον που δείχνουν οι εκάστοτε κυβερνήσεις όλων των χώρων για καύσιμα τα οποία δεν εκπέμπουν αέριους ρύπους. Το υδρογόνο αποτελεί ολοένα και περισσότερο βασικό στοιχείο των κυρίαρχων ενεργειακών συζητήσεων σε όλες σχεδόν τις χώρες, με αποτέλεσμα να βλέπουν ότι το υδρογόνο είναι ένα δυνητικά πολύτιμο και με ευρύ ρόλο καύσιμο για το μέλλον της ενέργειας. Οι πλέον ένθερμοι υποστηρικτές του υδρογόνου είναι οι προμηθευτές ανανεώσιμων πηγών ηλεκτρικής ενέργειας, παραγωγούς βιομηχανικού αερίου, επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου, αυτοκινητοβιομηχανίες, εταιρείες πετρελαίου και φυσικού αερίου, μεγάλες εταιρείες μηχανικών και τις κυβερνήσεις των περισσότερων από τις μεγαλύτερες οικονομίες του κόσμου. Περιλαμβάνει επίσης εκείνους που χρησιμοποιούν ή θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το υδρογόνο ως πρώτη ύλη για τη βιομηχανική παραγωγή και όχι μόνο για ενέργεια. Το 2017 δημιουργήθηκε το Συμβούλιο Υδρογόνου για να συγκεντρώσει τους σχετικούς παράγοντες του ιδιωτικού τομέα. Η διευθύνουσα ομάδα του έχει πλέον 33 μέλη σε επίπεδο Διευθύνοντος Συμβούλου και προέδρου και 21 υποστηρικτικά μέλη. Η πιθανότητα ότι αυτοί οι φορείς με επιρροή θα συνεργαστούν για να διασφαλίσουν την υλοποίηση έργων και την ανάπτυξη αγορών αποτελεί σημαντική ένδειξη ότι το υδρογόνο μπορεί τώρα να έχει το είδος της δεσμευμένης διατομεακής υποστήριξης που χρειάζεται για το μέλλον. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται το αναλυτικό μοντέλο της επίδρασης των δυνάμεων Lorentz στην ενίσχυση της παραγωγής υδρογόνου το οποίο παράγεται με θερμική υδρόλυση σε επιφάνεια οξειδίου του σιδήρου. Η ρίψη μορίων νερού στην επιφάνεια ενός δισκίου οξειδίου του σιδήρου, έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ιόντων οξυγόνου, λόγω της διάσπασης των υπαρχόντων δεσμών σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα ιόντα μπορούν να κατευθυνθούν από την επιφάνεια προς το εσωτερικό του οξειδίου, προς το μεγαλύτερο μέρος του οξειδίου του σιδήρου, λόγω των δυνάμεων Lorentz οι οποίες είναι κάθετες στην επιφάνεια του μαγνητικού δισκίου, επιτρέποντας έτσι την απελευθέρωση νέων ιόντων οξυγόνου από τα μόρια του νερού. Οι δυνάμεις Lorentz δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση μεταξύ μιας ενδοεπίπεδης μαγνητικής επαγωγής σωστού προσανατολισμού, κάθετης σε ένα επίσης εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο εντός του επιπέδου. Η κινητικότητα των ιόντων οξυγόνου είναι ενεργοποιημένη λόγω της σημαντικής ποσότητας κενών θέσεων οξυγόνου (VOs) στον κύριο όγκο του οξειδίου του σιδήρου και μοντελοποιείται αναλυτικά ως μηχανισμός διάχυσης, που κυριαρχείται από μετατόπιση την βοήθεια της δύναμης Lorentz.