Luftaufnahme von Heliostaten und Turm am Khi Solar One, Südafrika
Credit:
Sproetniek
Entwicklung solarthermischer Verfahren zur Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen sowie deren ökologische und ökonomische Bewertung
Laufzeit: 1.1.2023 - 31.12.2025
SOLHYKO untersucht innovative Verfahren zur nachhaltigen Produktion von Wasserstoff (H2) und synthetischen Kraftstoffen wie Kerosin oder Schiffsdiesel mithilfe von Solarenergie. Ziel ist es, anspruchsvolle Verkehrssektoren wie die Luftfahrt, Schifffahrt und den Schwerlastverkehr im Sinne der internationalen Klimaziele unabhängig von fossilen Brennstoffen zu machen.
Zwei solarthermische Verfahren zur Nutzung der solaren Hochtemperaturwärme stehen im Fokus: der thermochemische Kreisprozess mit einem monolithischen Redox-Porenkörper oder mit Redox-Partikeln sowie die solare Reformierung. Diese Verfahren verwenden gebündelte Sonnenstrahlung, um Wasserdampf (H2O) in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten oder aus Biogas ein Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) zu gewinnen. Aus diesen Produkten können dann alternative Kraftstoffe erzeugt werden, die eine hohe Energiedichte im Vergleich zu heutiger Batterietechnologie aufweisen.
Ein Vorteil dieser Verfahren ist die direkte Nutzung von Solarwärme für den Spaltungsprozess – ohne den Umweg über die Produktion von Strom. Die einzigartigen Testmöglichkeiten in den Großanlagen für konzentrierte Solarstrahlung des DLR machen diese Forschungsarbeit erst möglich.
Von Materialforschung bis Anlagensimulation
Das Forschungsprojekt SOLHYKO konzentriert sich auf die Produktion von nachhaltigen Kraftstoffen durch solarthermische Prozesse. Dabei werden Receiver (für die Wärmegewinnung) und Reaktoren (für die chemischen Reaktionen) experimentell im Labor optimiert und mittels mathematischer Modelle in den Industriemaßstab skaliert.
Die Forschenden gewinnen neue Erkenntnisse zu Anlagendesign, Betriebsverhalten, Materialalterung und Energieeffizienz und lassen diese in weitere Entwicklungsschritte einfließen. Der Sonnensimulator Synlight des DLR zur Erforschung der Nutzung konzentrierter Solarstrahlung ermöglicht es, unter konstanten Bedingungen künstliches Sonnenlicht zu erzeugen, um die solarthermischen Prozesse im Experiment zu optimieren.
Redoxkreisprozess
Ein Redoxkreisprozess zur solaren Wasserstoffproduktion nutzt konzentrierte Sonnenstrahlung, um chemische Reaktionen in speziellen Materialien, sogenannten Redoxmaterialien anzustoßen. Ziel ist es, zum Beispiel Wasserstoff durch thermochemische Spaltungen von Wasserdampf zu gewinnen, indem das Redoxmaterial zyklisch reduziert und oxidiert wird.
Verwendete Materialien sind Metalloxide, die bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1500 Grad Celsius Sauerstoff freisetzen (Reduktion). Bei niedrigeren Temperaturen und in Anwesenheit von Wasserdampf nehmen die Materialien wieder Sauerstoff auf (Oxidation). Dabei lösen und binden sie den Sauerstoff aus dem Wassermolekül. Übrig bleibt der freigesetzte Wasserstoff, der als Produkt aufgefangen wird. Die wiederkehrenden Zyklen verwenden ausschließlich Wasser und Wärme der konzentrierten Sonnenstrahlung. Die hohen und wechselnden Temperaturniveaus bei über 1000 Grad Celsius sind technisch besonders herausfordernd.
Grafik Prozessablauf
Herstellung von Wasserstoff über einen thermo-chemischen Zyklus
Credit:
Inspired by Net-Zero Web-Atlas (atlas.netto-null.org)
Wasserstoff dient anschließend als direkter Kraftstoff oder Rohstoff für die weiterführende Produktion synthetischer Kraftstoffe. Leicht abgewandelt kann der Redox-Prozess zudem Biogas nutzen, um ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid herzustellen. Dieses Synthesegas, das bereits alle Bestandteile zur Produktion synthetischer Kraftstoffe bereitstellt, liegt somit nach einem Umwandlungsschritt vor.
Solare Reformierung von Biogas
Ein weiteres Verfahren zur direkten Synthesegas-Produktion ist die solare Reformierung von Biogas. Dabei reagieren die Hauptkomponenten des erneuerbaren Ausgangsmaterials – Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) – an einem Katalysator mit Wasserdampf. Konzentrierte Solarstrahlung stellt auch hier die für die Reaktionen erforderliche Wärme bei hohen Temperaturen bereit.
Als Referenz dient hier die konventionelle Reformierung von Erdgas, bei der jedoch sowohl als Ausgangsmaterial als auch für die Wärmebereitstellung fossile Energieträger zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zu diesem industriell etablierten Verfahren bietet die solare Reformierung von Biogas das Potential, den CO2-Fußabdruck drastisch zu reduzieren und einen wichtigen Beitrag bei der Produktion kohlenstoffneutraler Kraftstoffe zu leisten.
Arbeitsschritte und Zielsetzungen des SOLHYKO-Projekts
Im Rahmen des SOLHYKO-Projekts werden zwei innovative Redox-Reaktorkonzepte sowie die solare Reformierung von Biogas weiterentwickelt und ihre Potentiale verglichen. Ein Fokus liegt auf der Optimierung verwendeter Materialien durch deren genauere Charakterisierung, zielgerichtete Auswahl und verbesserte Herstellung. Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt ist die effiziente Übertragung von Wärme an die Redoxmaterialien trotz hoher Temperaturen. Alle Produktionsverfahren werden im Labormaßstab demonstriert.
Solartürme in Jülich im Versuchsbetrieb
Die solare Strahlungsenergie wird über Spiegelsysteme gebündelt um die damit erzeugte Hochtemperaturwärme in einem zentralen Reaktor im Solarturm zur Spaltung von Gasen wie Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffen zu nutzen. Aus deren Bestandteilen werden in einem weiteren Schritt nachhaltige Kraftstoffe für die Luftfahrt, Schifffahrt oder den Schwerlastverkehr produziert. Das DLR-Projekt SOLHYKO erforscht diese Verfahren sowie deren ökologische und ökonomische Auswirkungen.
Vor den beiden Jülicher Solartürmen stehen mehr als 2.000 bewegliche Spiegel (Heliostate). Sie fangen das Sonnenlicht ein, bündeln und lenken es zu den beiden Solartürmen. Der größere der beiden Türme ist ein funktionierendes Solarturmkraftwerk, er kann also Strom produzieren. Der Turm besitzt eine Forschungsebene für wechselnde Versuchsaufbauten. Seit 2020 steht ihm der etwas kleinere Multifokusturm mit drei weiteren Forschungsebenen zur Seite.
In einer 18 m hohen Halle bilden 149 Hochleistungsstrahler eine 14 x 16 m große Wand aus Licht. Mit ihrer Hilfe können wissenschaftliche Versuche mit dem 10.000-fachen der natürlichen Sonnenstrahlung bestrahlt werden.
Zudem entwickeln die Forschenden auf mathematischem Weg detaillierte Reaktormodelle. Diese werden verwendet, um das Reaktorverhalten im Zusammenspiel mit weiteren Anlagenkomponenten zur Wasserstoff- und Kohlenwasserstoffproduktion zu simulieren. Dabei steht insbesondere die theoretische Skalierung der Labormodelle auf einen Industriemaßstab im Vordergrund. Systemweite Energieströme und Betriebsstrategien werden optimiert, um die Effizienz der Kraftstoffproduktion zu verbessern.
In einem weiteren Schritt erfolgt eine wirtschaftliche und ökologische Bewertung der Verfahren zur solaren Kraftstoffproduktion. Ein besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Potenzial, die finalen Kraftstoffkosten zu senken sowie die Umweltauswirkungen über den Lebenszyklus der Anlagen zu bewerten. Abschließend werden sowohl das Marktpotenzial der Produktionsverfahren als auch der solaren Kraftstoffe bewertet, um mögliche Produktionsländer und Absatzmärkte zu identifizieren.
Wissenstransfer und Kooperation
Der Bedarf an regenerativen Kraftstoffen und Chemikalien wird in den nächsten Jahrzehnten rasant steigen und einen Sektor schaffen, der in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts Volumina erreicht, die vergleichbar mit denen der heutigen fossilen Energieträger sind. Das SOLHYKO-Projekt trägt hier maßgeblich zur Technologieentwicklung für solare Produktionsverfahren im industriellen Maßstab bei. Dafür kooperieren mehrere DLR-Institute mit weltweit führender Erfahrung im Bereich der Solarforschung miteinander.
Ein enger Austausch mit Firmen aus den Bereichen konzentrierende Solartechnologie, Anlagenbau und Chemieindustrie sowie dem Energiesektor ermöglichen die optimale Ausrichtung der Forschungsarbeit an den drängenden Fragen der Branche. So zielen die angestrebten Projektergebnisse unter anderem auf die Verbesserung von Schlüsselkomponenten sowie die Wirkungsgradsteigerung durch intelligente Prozessintegration entlang der Wertschöpfungsketten ab.
