Vielfältige Möglichkeiten für thermochemische Prozesse – Hochtemperaturreaktoren nutzen wir, um Verfahren zu demonstrieren, in denen bei besonders hohen Temperaturen chemische Reaktionen ablaufen. Dafür erhitzen wir die Reaktoren durch Bestrahlung mit konzentriertem natürlichen oder künstlichen Sonnenlicht auf über 500 Grad Celsius. Unser Fokus liegt auf thermochemischen Kreisprozessen.
Mit solchen Verfahren lässt sich zum Beispiel Wasserstoff aus Wasser abspalten, Synthesegas herstellen und kann Sonnenenergie in Schwefel gespeichert werden. Die solare Reformierung, Metallrecycling und Hochtemperaturelektrolysen sind weitere Anwendungsgebiete von Hochtemperaturreaktoren.
Um die notwendigen Prozesstemperaturen aus Sonnenenergie zu erzeugen, sind punktfokussierende Systeme notwendig, die das Sonnenlicht konzentrieren, auf einer kleinen Fläche bündeln und so Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius erzeugen können. Dafür nimmt ein Strahlungsempfänger die konzentrierte Strahlung auf und wandelt sie in Wärme um. Für das Erreichen der gewünschten Ergebnisse und für ein skalierbares Design des Gesamtsystems ist ein detailliertes Verständnis der physikalischen und chemischen Vorgänge innerhalb des Reaktors essentiell. Unsere Forschenden untersuchen zum Beispiel die Kinetik der beteiligten Reaktionen, der Transportvorgänge von Atomen, Molekülen und Ionen in der Gasphase und in Festkörpern sowie relevante Wärmeübertragungsmechanismen und entwickeln sie weiter.
Instituts-übergreifende Forschung
Grundlegende Untersuchungen zu diesen Vorgängen erfolgen durch numerische Simulationen und im Labor, unter anderem im Kompetenzzentrum CeraStorE. Dort untersuchen Forschende aus dem Institut für Future Fuels gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus den DLR-Instituten für Technische Thermodynamik und Werkstoffforschung den Einsatz von neuen keramischen Materialien für die Energietechnik.
Einige der untersuchten Prozesse bestehen aus zwei Reaktionen, die sich unter anderem durch unterschiedliche Temperaturniveaus oder die Gasatmosphäre unterscheiden. Um solche Prozesse solarthermisch abzubilden, nutzen wir Zwei-Kammer-Reaktoren (siehe Abbildung oben). Ein Beispiel hierfür ist die sukzessive Zersetzung von Schwefelsäure in Schwefeltrioxid und in Schwefeldioxid. Durch die Separierung in zwei Kammern ist es möglich, Verweilzeiten und Temperaturniveaus entsprechend der Teilreaktion zu wählen.
Drehrohrreaktor zur solaren Zementherstellung
Befüllung des Vorratbehälters mit dem Rohmaterial vor dem Start eines Versuchs im Simulator.
Ein weiteres innovatives Konzept für die Umsetzung thermochemischer Prozesse ist der Drehrohrreaktor. Ein ausgeklügeltes Transportsystem leitet die Partikel kontinuierlich durch den Reaktor, wobei sie die zugeführte Solarwärme aufnehmen. Wir setzen diese Reaktoren für die thermische Reduktion von Redoxmaterialien ein. Da der Reaktor bewegte Teile enthält, ist es eine besondere Herausforderung den Reaktor gegen die umgebende Gasatmosphäre abzudichten.
Nach der erfolgreichen Validierung im kleinen Maßstab folgt typischerweise ein Feldtest an einer Demonstrationsanlage mit einer thermischen Leistung von einigen Hundert Kilowatt bis zu einem Megawatt auf einem Solarturm, zum Beispiel an den DLR Solartürmen in Jülich oder auf CIEMATs Plataforma Solar de Almería.
