Novi termički reaktor sa Stanforda koristi električnu energiju za smanjenje industrijskih emisija

Industrijski procesi u Sjedinjenim Američkim Državama doprinose oko jednoj trećini emisije ugljen-dioksida u zemlji, nadmašujući čak i godišnje emisije iz putničkih vozila, kamiona i aviona zajedno. Rešavanje ovog značajnog izvora gasova koji stvaraju efekat staklene bašte ključno je za ublažavanje klimatskih promena, ali predstavlja složen izazov. Tu na scenu stupa termički reaktor.

Tim istraživača sa Stanford Engineering-a razvio je revolucionarni termički reaktor koji bi mogao igrati ključnu ulogu u smanjenju ovih emisija. Ovaj inovativni reaktor generiše visoke temperature potrebne za mnoge industrijske procese koristeći električnu energiju umesto sagorevanja fosilnih goriva.

Prema njihovim nalazima, objavljenim u časopisu *Joule*, novi dizajn reaktora nije samo efikasniji, već je i manji i jeftiniji od trenutnih tehnologija baziranih na fosilnim gorivima.

Guramo termički reaktor do njegovih fizičkih granica

Jonathan Fan, vanredni profesor elektrotehnike na Stanfordu i glavni autor rada, naglasio je značaj ovog razvoja. „Imamo elektrifikovanu i skalabilnu infrastrukturu reaktora za termičke procese koja poseduje idealna svojstva grejanja i prenosa toplote,“ objasnio je on. „U suštini, guramo performanse reaktora do njegovih fizičkih granica, a koristimo zelenu električnu energiju da ga napajamo.“

Konvencionalni termički reaktori funkcionišu tako što sagorevaju fosilna goriva kako bi zagrejali tečnost, koja zatim prenosi toplotu kroz cevi unutar reaktora. Ovaj proces je sličan načinu na koji bojler šalje toplu vodu do radijatora u zgradi, ali u mnogo većem obimu i na mnogo višim temperaturama. Međutim, ovaj metod je energetski intenzivan, zahteva opsežnu infrastrukturu i ima značajan potencijal za gubitak toplote u različitim fazama.

Novi reaktor, međutim, koristi magnetnu indukciju za generisanje toplote—proces sličan onom koji se koristi u indukcionim šporetima. Umesto da se oslanja na spoljno grejanje i prenosi tu toplotu kroz cevi, indukcijsko grejanje stvara toplotu direktno unutar reaktora. Ovo se postiže iskorišćavanjem interakcije između električnih struja i magnetnih polja.

Na primer, ako obmotate žicu oko čelične šipke i pustite naizmeničnu struju kroz namotaj, rezultirajuće magnetno polje indukuje struju u čeliku. Zbog nesavršenog provodljivog svojstva čelika, deo ove struje se pretvara u toplotu, efikasno grejući celu čeličnu komponentu iznutra, a ne spolja.

Iako ovaj metod zvuči jednostavno, prilagođavanje za industrijsku upotrebu predstavlja jedinstvene izazove. Industrijski reaktori moraju ravnomerno distribuirati toplotu u trodimenzionalnom prostoru i moraju biti daleko efikasniji od kućnog šporeta. Da bi postigli ovo, tim sa Stanforda je koristio visokofrekventne struje koje se brzo menjaju, u kombinaciji sa materijalima reaktora koji su loši provodnici električne energije.

Industrijski reaktori su veliki izazov

Ove visokofrekventne struje omogućene su novom, visokoefikasnom elektronikom koju je razvio Juan Rivas-Davila, vanredni profesor elektrotehnike na Stanfordu i koautor rada. Ove struje su zatim korišćene za induktivno zagrevanje trodimenzionalne rešetke napravljene od loše provodljive keramičke materije u jezgru reaktora.

thebrighterside

Struktura rešetke je ključna jer veštački smanjuje električnu provodljivost. Štaviše, praznine u rešetki mogu biti ispunjene katalizatorima—materijalima koji moraju biti zagrejani da bi inicirali hemijske reakcije. Ova postavka ne samo da poboljšava prenos toplote, već i omogućava da reaktor bude mnogo manji od tradicionalnih reaktora na fosilna goriva.

„Zagrevate veliku površinsku strukturu koja je odmah pored katalizatora, tako da se toplota koju generišete vrlo brzo prenosi na katalizator da bi se pokrenule hemijske reakcije,“ objasnio je Fan. „Plus, ovo pojednostavljuje sve. Ne prenosite toplotu iz nekog drugog izvora i ne gubite je usput, nemate nikakve cevi koje ulaze i izlaze iz reaktora—možete ga u potpunosti izolovati. Ovo je idealno sa stanovišta upravljanja energijom i troškova.“

U svojoj dokazanoj demonstraciji koncepta, istraživači su koristili ovaj reaktor za pokretanje obrnute reakcije gas-voda, hemijskog procesa koji zahteva visoku temperaturu i može pretvoriti uhvaćeni ugljen-dioksid u vredan gas koji se koristi za stvaranje održivih goriva. Koristili su novi održivi katalizator koji je razvio Matthew Kanan, profesor hemije na Stanfordu i koautor rada.

Efikasnost od preko 85%

Reaktor je demonstrirao efikasnost od preko 85%, što znači da je pretvorio skoro svu električnu energiju u korisnu toplotu. Takođe je stvorio idealne uslove za hemijsku reakciju, pri čemu je ugljen-dioksid bio konvertovan pri teorijski predviđenoj stopi—značajno dostignuće, jer novi dizajni reaktora često ne ispunjavaju teorijske predikcije.

„Kako ovi reaktori postaju sve veći ili rade na još višim temperaturama, oni postaju još efikasniji,“ rekao je Fan. „To je priča o elektrifikaciji—ne pokušavamo samo zameniti ono što imamo, stvaramo još bolje performanse.“

Gledajući unapred, Fan, Rivas-Davila, Kanan i njihove kolege fokusirani su na povećanje tehnologije reaktora i proširenje njegove primene. Rade na prilagođavanju ove tehnologije za hvatanje ugljen-dioksida i proizvodnju cementa, dve industrije sa visokim ugljeničnim otiskom.

Pored toga, sarađuju sa industrijskim partnerima u sektorima nafte i gasa kako bi istražili šta bi bilo potrebno da te industrije usvoje ovu tehnologiju. Ekonomske analize su takođe u toku kako bi se razumele mogućnosti da ove održive solucije postanu pristupačnije i široko rasprostranjene.

„Elektrifikacija nam pruža priliku da ponovo osmislimo infrastrukturu, probijajući se kroz postojeće uska grla i smanjujući i pojednostavljujući ove vrste reaktora, pored njihove dekarbonizacije,“ rekao je Fan. „Dekarbonizacija industrije zahtevaće nove, sistemske pristupe, i mislim da tek počinjemo.“

Razvoj ovog novog reaktora mogao bi biti ključni korak ka smanjenju emisije ugljen-dioksida iz industrijskih procesa, što bi na kraju pomoglo u zaštiti klime za buduće generacije, piše Thebrighterside.