Global sustainable energy needs and carbon neutrality goals make hydrogen a key future energy source. South Korea and Japan lead with proactive hydrogen policies, including South Korea's Hydrogen Law and Japan's strategy updates aiming for a hydrogen-centric society by 2050. A notable advance is the solar thermal chemical water-splitting cycle for green hydrogen production, spotlighted by Korea Institute of Energy Research (KIER) and Niigata University's joint initiative. This method uses solar energy to split water into hydrogen and oxygen, offering a carbon-neutral hydrogen production route. The study focuses on international collaboration in solar energy for thermochemical water-splitting and E-fuel production, highlighting breakthroughs in catalyst and reactor design to enhance solar thermal technology's commercial viability for sustainable fuel production. Collaborations, like ARENA in Australia, target global carbon emission reduction and energy system sustainability, contributing to a cleaner, sustainable energy future.
The two-step water splitting thermochemical cycle is composed of the T-R (Thermal Reduction) and W-D (Water Decomposition) steps. The mechanism of this cycle is oxidation-reduction, which produces hydrogen. The reaction temperature necessary for this thermochemical cycle can be achieved by a dish-type solar thermal collector (Inha University, Korea). The purpose of this study is to validate a water splitting device in the field. The device is studied and fabricated by Kodama et al (2010, 2011). The validation results show that the foam device, when loaded with $CeO_2$ powder, was successfully achieved hydrogen production under field conditions. Through this experiment, we can analyze the characteristics of the catalyst and able to determine which is more advantageous thing to produce hydrogen compared with previous experiment that used ferrite-device.
In this work, hydrogen production by a 2-step water-spritting thermochemical cycle based on metal oxides redox pairs was investigated on the bases of the thermodynamics and technical feasibility. Also, a 2nd-law analysis performed on the closed cyclic process indicates a maximum exergy conversion efficiency of 7.1% when using a solar cavity-receiver operated at 2300K and air/Fe3O4 molar ratio = 10.
The sulfur-iodine (SI) thermochemical water splitting cycle is one of promising hydrogen production methods from water using high-temperature heat generated from a high temperature gas-cooled nuclear reactor (HTGR). The SI cycle consists of three main units, such as Bunsen reaction, HI decomposition, and $H_2SO_4$ decomposition. The feasibility of continuous operation of a series of subunits for $H_2SO_4$ decomposition was investigated with a bench-scale facility working at ambient pressure. It showed stable and reproducible $H_2SO_4$ decomposition by steadily producing $SO_2$ and $O_2$ corresponding to a capacity of 1 mol/h $H_2$ for 24 hrs.
Two-step water splitting thermochemical cycle with $CeO_2$ foam device was investigated by using a solar simulator composed of 2.5 kW Xe-Arc lamp and mirror reflector. The hydrogen production of $CeO_2$ foam device depending on reaction temperature of Thermal-Reduction step and Water-Decomposition step was analyzed, and the hydrogen production of $CeO_2$ and $NiFe_2O_4/ZrO_2$ foam devices was compared. As a result, the amount of reduced $CeO_2$ considerably varies according to the reaction temperature of Thermal-Reduction step. and hydrogen production was not much when the amount of reduced $CeO_2$ decreased even if the reaction temperature of Water-Decomposition step was high. Therefore, it is very important to keep the reaction temperature of Thermal-Reduction step high in two-step thermochemical cycle with $CeO_2$.
The two-step water splitting thermochemical cycle is composed of the T-R (Thermal Reduction)and W-D (Water Decomposition)steps. The mechanism of this cycle is oxidation-reduction, which produces hydrogen. The reaction temperature necessary for this thermochemical cycle can be achieved by a dish-type solar thermal collector (Inha University, Korea). The purpose of this study is to validate a water splitting device in the field. The device is studied and fabricated by Kodama et al (2010, 2011). The validation results show that the foam device, when loaded with $NiFe_2O_4/m-ZrO_2$powder, was successfully achieved hydrogen production with 9 (10 with a Xe-light solar simulator, 2009, Kodama et al.) repeated cycles under field conditions. Two foam device used in this study were tested for validation before an experiment was performed. The lab scale ferrite-conversion rate was in the range of 24~76%. Two foam devices were designed to for structural stability in this study. In the results of the experiments, the hydrogen percentage of the weight of each foam device was 7.194 and $9.954{\mu}mol\;g^{-1}$ onaverage, and the conversion rates 4.49~29.97 and 2.55~58.83%, respectively.
The sulfur-iodine thermochemical water splitting process of GA(General atomic) cycle was studied to produce hydrogen from water by $H_2-I_2-SO_2$ reactions. The experimental scale was 500g based on iodine. The reaction took 100 minutes, products could be separated two liquid phases due to their density difference:HI solution had a density of 2.39~2.61g/cc, and $H_2SO_4$ solution had 1.37~1.38g/cc. The condition of reaction was when weight ratio of $I_2/H_2O$ was 2/1 resulting in good phase separation and productivity.
The SI thermochemical cycle process accomplishes water splitting through distinctive three chemical reactions. We focused on thermodynamic models applicable to the process. Recently, remarkable models based on the assumed ionic species have been developed to describe highly nonideal behavior on the liquid phase reactions. ElecNRTL models with ionic reactions were proposed in order to provide reliable process simulation results for phase equilibrium calculations in Section II and III. In this study, the current thermodynamic models of SI thermochemical cycle process were briefly described and the calculation results of the applied ElecNRTL models for phase equilibrium calculations were illustrated for binary systems.
In order to meet the energy demand, energy production must be done continuously. Hydrogen seems to be the best alternative for this energy production, because it is both an environmentally friendly and renewable energy source. In this study, the hydrogen fuel production of the peaceful nuclear explosives (PACER) fusion blanket as the energy source integrated with Fe-Cl thermochemical water splitting cycle have been investigated. Firstly, neutronic analyzes of the PACER fusion blanket were performed. Necessary neutronic studies were performed in the Monte Carlo calculation method. Molten salt fuel has been considered mole-fractions of heavy metal salt (ThF4, UF4 and ThF4+UF4) by 2, 6 and 12 mol. % with Flibe as the main constituent. Secondly, potential of the hydrogen fuel production as a result of the neutronic evaluations of the PACER fusion blanket integrated with Fe-Cl thermochemical cycle have been performed. In these calculations, tritium breeding (TBR), energy multiplication factor (M), thermal power ratio (1 - 𝜓), total thermal power (Phpf) and mass flow rate of hydrogen (ṁH2) have been computed. As a results, the amount of the hydrogen production (ṁH2) have been obtained in the range of 232.24x106 kg/year and 345.79 x106 kg/year for the all mole-fractions of heavy metal salts using in the blanket.
In this study, an artificial solar simulator composed of a 2.5 kW Xe-Arc lamp and mirror reflector was used to carry out the solar thermal two step thermochemical water decomposition cycle which can produce high efficiency continuous hydrogen production. Through various operating conditions, the change of hydrogen production due to the possibility of a dual-zone reactor and heat recovery were experimentally analyzed. Based on the reaction temperature of Thermal-Reduction step and Water-Decomposition step at $1,400^{\circ}C$ and $1,000^{\circ}C$ respectively, the hydrogen production decreased by 23.2% under the power off condition, and as a result of experiments using heat recovery technology, the hydrogen production increased by 33.8%. Therefore, when a thermochemical two-step water decomposition cycle is conducted using a dual-zone reactor with heat recovery, it is expected that the cycle can be operated twice over a certain period of time and the hydrogen production amount is increased by at least 53.5% compared to a single reactor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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