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Chemische und physikalische Grundlagen
Probenentnahme im mobilen Pumpen- und Wärmeträgerteststand (MOPUW)
Wissenschaftler Christoph Hilgert untersucht die thermische Beständigkeit neuer Wärmeträgerfluide.
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Die Abteilung für chemische und physikalische Grundlagen arbeitet an alternativen Methoden zur Herstellung erneuerbarer Energieträger. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Nutzung von thermisch hoch belastbaren Wärmeträgermedien zur Übertragung von thermischer Energie in chemische Prozesse. Zusätzlich werden auch photoelektrochemische Verfahren zur stofflichen Umwandlung untersucht. Das Hauptziel ist es, zuverlässige Materialien und Komponenten für den industriellen Einsatz zu entwickeln. Dafür werden innovative Ansätze getestet und bewertet, angefangen vom Labor bis hin zum technischen Maßstab in eigenen Großanlagen oder in einer industriellen Umgebung.
Materialien, Komponenten und Produktionsverfahren für erneuerbare Energieträger
Die Hauptaufgabe der Abteilung besteht darin, Materialien, Komponenten und Verfahren für die umweltfreundliche Produktion erneuerbarer Energieträger zu entwickeln und zu qualifizieren.
Für die Herstellung von Energieträgern durch thermische Synthesen werden robuste Medien und Apparaturen benötigt, die hohen Temperaturen und schwankenden Betriebsbedingungen standhalten, wie sie bei solarer oder elektrischer Beheizung auftreten können.
Die wachsenden Anforderungen bezüglich Arbeitsschutz und Umweltverträglichkeit erfordern es zudem, dass bewährte Lösungen hinterfragt und durch langfristig tragende Alternativen ersetzt werden. Dies betrifft die Entwicklung von Wärmeträgermedien, Reaktor- und Apparatetechnik für wärmeträgerbasierte Produktion von Energieträgern, Aufbereitungsverfahren, Konstruktionswerkstoffe und Funktionsmaterialien.
Qualifizierung von Wärmeträgermedien und Prozesstechniken bei hohen Betriebstemperaturen
Ein Schwerpunkt der Abteilung liegt auf der Qualifizierung vielversprechender Wärmeträgermedien und innovativer Prozesstechniken für den Betrieb bei hohen Temperaturen sowie auf der Verbesserung der Eigenschaften dieser Medien. Zudem werden neue Verfahren insbesondere zur Herstellung von Energieträgern mittels chemischer Reaktionen (Synthese) und von wichtigen chemischen Grundstoffen untersucht. Dabei konzentrieren wir uns auf organische und siliziumorganische Wärmeträgermedien sowie Salzschmelzen.
Wir führen Alterungsuntersuchungen an potenziellen Wärmeträgerfluiden durch, bewerten Qualitätsveränderungen und ermitteln Alterungskinetiken anhand des Abbaus der Ausgangsstoffe sowie der Bildung von Degradationsprodukten.
Proben einer Biphenyl-Diphenylether-Mischung
Die Mischungen wurden in einem Laborexperiment bei 410 Grad Celsius zwischen 100 bis 2.000 Stunden thermisch belastet.
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Zusätzlich untersuchen wir die relevanten physikalisch-chemischen Eigenschaften bis über das obere Ende des avisierten Betriebstemperaturbereichs hinaus und unter anwendungsrelevanten Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck oder gelöster Gase. Dadurch vermeiden wir unzuverlässige Extrapolationen, die bei der Anwendung einfacher Standardtests auftreten können.
Wir analysieren zudem gebrauchte Medien aus Wärmeträgeranlagen hinsichtlich spezifischer Parameter wie den unter Betriebsbedingungen gelösten Gasen. Insbesondere begleiten wir weltweit die Analyse und Kontrolle von gelöstem Wasserstoff in Wärmeträgermedien solarthermischer Parabolrinnenkraftwerke sowie den Wasserstoffgehalt gebrauchter Receiverelemente aus diesen Anlagen.
Darüber hinaus untersuchen wir die Interaktion von Wärmeträgermedien mit fluidtechnischen Komponenten und qualifizieren bei Bedarf deren Eigenschaften. Dies umfasst beispielsweise Untersuchungen zur Permeation und zum Aufnahmevermögen von Wasserstoff in Receiverelementen von solarthermischen Kraftwerken, die Qualifizierung von Sensoren für die Inline-Analyse von Wärmeträgermedien im Vergleich zu Referenzverfahren, von Durchflussmessystemen in Wärmeträgeranlagen, Elektroheizungen, Pumpen und andere Aggregaten.
Für die Bearbeitung stehen uns ein Wärmeträgerlabor sowie Wärmeträgeranlagen im Technikumsmaßstab wie der Mobile Pumpen- und Wärmeträgerteststand (MOPUW) zur Verfügung.
Innenansicht des MOPUW
Einblick in den mobilen Pumpen- und Wärmeträgerteststand MOPUW beim DLR in Köln-Porz.
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Photoelektrochemische und photokatalytische Systeme und Prozesse
Ein weiterer Schwerpunkt der Abteilung liegt auf der Entwicklung und Qualifizierung photoelektrochemischer und photokatalytischer Systeme und Prozesse, insbesondere zur Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser. Darüber hinaus untersuchen wir Abwässer als Rohstoff für die Wasserstoffgewinnung.
Photoelektrochemischer Testreaktor im Laborversuch mit einer LED-Lichtquelle
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Weiterhin bewerten wir alternative Elektrolyseverfahren in Kombination mit konzentrierender Solartechnik. Die Eigenschaften und die Stabilität der Komponenten ermitteln wir in Labor- und solaren Freilandversuchen. Ferner entwerfen wir auch mögliche neue Systeme und ermitteln die zur verfahrenstechnischen Bewertung erforderlichen Parameter.
Für die experimentellen Arbeiten vom Labor bis hin zum technischen Maßstab stehen uns laboranalytische Arbeitstechniken, Kunstlichtquellen und elektroanalytische Untersuchungsmöglichkeiten zur Verfügung.
Unser SoCRatus-Teststand ermöglicht detaillierte Untersuchungen mit besonders homogen konzentrierter Solarstrahlung unter sehr kontrollierten Bedingungen bezüglich spektraler Bestrahlung, Medientemperatur und Durchfluss sowie eine Online-Analyse der Produkte.
Der SoCRatus-Teststand am DLR-Standort Köln-Porz
Solarer Konzentrator mit einem rechteckigen Fokus für Experimente mit homogen konzentrierter Strahlung beim DLR in Köln-Porz
Für die weiteren Skalierungsuntersuchungen stehen uns die Großanlagen des Instituts wie der Sonnenofen, der Hochleistungsstrahler und der Sonnensimulator Synlight zur Verfügung.
Katalytische Verfahren zur thermochemischen Synthese von Energieträgern
Die Entwicklung katalytischer Verfahren zur thermochemischen Synthese von Energieträgern bildet einen weiteren Schwerpunkt der Abteilung. Wir untersuchen zum Beispiel geeignete Verfahren zur Disproportionierung von Schwefeldioxid zu Schwefelsäure und Schwefel als Energieträger zur Speicherung von Sonnenenergie.
Wir untersuchen die Einsatzmöglichkeiten nanostrukturierter Katalysatoren zur Synthese von Energieträgern wie Methan, Methanol oder Ammoniak oder auch zur Entwicklung von Wasserstoff abbauenden Aggregaten, um unerwünschte Emissionen bei Wasserstoffanwendungen zu vermeiden
Forschung vom Labor bis in die industrielle Anwendung für eine nachhaltige Energieversorgung
Mit unseren Arbeiten zu neuen Wärmeträgermedien unterstützen wir die Entwicklung regenerativer Bereitstellung von Wärme und Elektrizität und die kurzfristige Umstellung von Produktionsprozessen auf eine erneuerbare Energieversorgung. Unsere Untersuchungs- und Testmöglichkeiten für Medien und Komponenten unterstützen die chemische Industrie, Anlagenbauer und -planer bei der Entwicklung innovativer Produkte vom Labormaßstab über Technikumstests und Demonstrationsanwendungen bis in die Markteinführung.
Projekte
Kontakt
Dr. rer. nat. Christian Jung
Abteilungsleiter
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR)
Institut für Future Fuels
Chemische und physikalische Grundlagen
Linder Höhe, 51147 Köln-Porz