Weltweit erster Solarbrennstoffreaktor für Nacht p

Solarbetriebene Chemie hat einen Nachteil: Die Reaktionen hören nachts auf. Jetzt haben Wissenschaftler eine Lösung.

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Bild: CONTISOL wurde in Köln mit simulierten „Sonnen“ und nicht mit einem tatsächlichen Solarfeld getestet. Auch der Speicher und der Wärmetauscher wurden simuliert, da der Reaktor selbst die getestete Innovation istmehr sehen

Bildnachweis: DLR

Internationale Solarthermie-Forscher haben CONTISOL erfolgreich getestet, einen mit Luft betriebenen Solarreaktor, der in der Lage ist, beliebige Solarbrennstoffe wie Wasserstoff herzustellen und Tag und Nacht zu laufen – da er konzentrierte Solarenergie (CSP) nutzt, die thermische Energiespeicherung umfassen kann.

Das Versprechen solarer Brennstoffe besteht darin, dass wir kohlenstofffreie Brennstoffe wie Wasserstoff ohne die klimaschädlichen Kohlenstoffemissionen haben könnten, die heute für die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas erforderlich sind. Daher ist die Perfektionierung von Solarreaktoren der Schlüssel zu einer 100 % sauberen Energiezukunft.

Anstatt einen fossilen Brennstoff zu verbrennen, um die Wärme zu erzeugen, die zum Antreiben des thermischen Chemieprozesses für chemische Reaktionen wie die Spaltung von H2 (Wasserstoff) aus H2O benötigt wird, haben Wissenschaftler verschiedene Arten von Reaktoren getestet, die durch die thermische Form der Solarenergie, CSP, erhitzt werden, die Spiegel verwendet um den Sonnenfluss auf einen Empfänger zu konzentrieren.

Um kohlenstofffreie Wärme für thermochemische Reaktionen zu erhalten, die bei Temperaturen von bis zu 1.500 °C ablaufen können, betrachten Experten die direkte Wärme von CSP als effizientere saubere Energiequelle als Strom aus PV oder Wind.

Wenn die Thermochemie durch Sonnenenergie angetrieben wird, wird es über Jahrhunderte hinweg eine unbegrenzte Versorgung mit Sonnenlicht geben und keine Auswirkungen auf das Klima haben. Der einzige Nachteil gegenüber der Verbrennung fossiler Energie besteht darin, dass die Sonne nachts untergeht.

Nachtsonne durch CSP

Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Unterstützung des Aerosol- und Partikeltechnologielabors von CPERI/CERTH Griechenland ein neues Solarreaktordesign gebaut und getestet, das über einen Speicher verfügt, sodass er rund um die Uhr Wärme liefern kann die derzeitige fossilbefeuerte Methode, jedoch ohne die Emissionen.

Ihr Artikel „Fabrikation und Prüfung von CONTISOL: Ein neuer Receiver-Reaktor für Tag- und Nacht-Solarthermochemie“ wurde im Dezember 2017 bei Applied Thermal Engineering veröffentlicht.

„In der Vergangenheit gab es bei Solarreaktoren das Problem, was man nachts macht, wenn man keine Sonne hat oder sogar wenn Wolken vorbeiziehen“, sagte der Hauptautor des Papiers, Justin Lapp, früher vom DLR und jetzt Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Maine.

Lapp erklärte, dass die Reaktion möglicherweise gestoppt oder die Flussrate der Reaktanten verlangsamt werden muss, wenn die Temperatur sinkt, wodurch sich die Menge der austretenden Produkte verringert. Wenn der Reaktor nachts abschaltet, kühlt er ab, wodurch nicht nur Restwärme verschwendet wird, sondern am nächsten Morgen ganz von vorne begonnen wird.

Wie es funktioniert

„Die Hauptidee von CONTISOL bestand also darin, zwei Reaktoren zusammen zu bauen“, sagte er. „Eine Seite, auf der Sonnenlicht direkt chemische Prozesse durchführt. Die andere Seite dient der Energiespeicherung. In den chemischen Kanälen treiben die hohen Temperaturen des Materials die chemische Reaktion voran, und in diesen Kanälen kommt es zu einem Wechsel von Reaktanten zu Produkten, und in den Luftkanälen ist es kühler.“ Luft strömt vorne ein und heißere Luft kommt hinten heraus.

Durch die Kombination von Speicherkapazitäten mit einem direkten thermochemischen Solarreaktor erhalten sie das Beste aus beiden Welten: stabile Temperaturen rund um die Uhr, aber auch die effizienteste Wärmequelle zur Durchführung von Reaktionen, da sie direkt ist, sodass „bei Mehrfachreaktoren nicht so viele Verluste entstehen“. Schritte zwischen dem Sonnenlicht und der Chemie, die passiert.

CONTISOL nutzt einen offenen Luftreceiver, der auf dem volumetrischen Luftreceiver basiert, den das DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in seinem Testsolarturm in Jülich betreibt und der Luft auf 1.100 °C erwärmen kann Atmosphäre und zieht es durch kleine Kanäle in einem monolithischen Material.

„Wir haben einen volumetrischen Luftbehälter wie diesen“, sagte Lapp. „Das Zentrum ist ein extrudierter Monolith; ein großer Zylinder mit vielen kleineren rechteckigen Kanälen. Jede zweite Kanalreihe wird für die Chemie oder zum Durchleiten von Luft durch den Monolithen verwendet. Diese Kanäle sind nach vorne offen, damit Sonnenlicht eindringen und sich erwärmen kann.“ dieses monolithische Material.

Beim ursprünglichen Test wurde Siliziumkarbid für den Mehrkanalempfänger verwendet, die Wissenschaftler planen jedoch, Inconel, eine härtere Metalllegierung, für den Empfänger auszuprobieren.

„Siliziumkarbid ist etwas schwierig herzustellen, da es nicht so gut bearbeitet werden kann wie ein Metall. Daher kann es schwierig sein, sehr enge Toleranzen einzuhalten. Es ist nicht zu teuer, aber es ist nicht das Material, mit dem man bei der Herstellung am einfachsten arbeiten kann“, sagte er .

Um Wasser- oder Kohlenwasserstoffmoleküle in die meisten Solarbrennstoffe umzuwandeln, sind Temperaturen zwischen 800 und 900 °C erforderlich. Das war also das Temperaturziel. Der Prototypreaktor wurde erfolgreich bei 850 °C im Labormaßstab betrieben: 5 kW.

CONTISOL wurde in Köln, Deutschland, mit simulierten „Sonnen“ und nicht mit einem tatsächlichen Solarfeld getestet, und auch der Speicher und der Wärmetauscher wurden simuliert, da der Reaktor selbst die Innovation darstellt.

„Diese Waage ist ein wissenschaftlicher Prototyp, nur damit wir verstehen, wie wir sie steuern können. Sie würde bei 5 kW nicht kommerzialisiert werden“, sagte er. „Kommerziell wären 1–5 MW ungefähr die kleinste Größe für Reaktoren im industriellen Maßstab, und sie könnten auf 100 MW oder sogar mehr skaliert werden.“

„In unserem Fall führen wir als Beispiel die Methanreformierung durch. Aber es ist nicht an Methan gebunden, es könnte eine beliebige Anzahl von Solarkraftstoffen herstellen. Eine interessante Möglichkeit ist die Wasserstoffproduktion aus Schwefelsäure als Kreislaufmaterial. Wenn man Schwefelsäure bei etwa … verdampft Bei einer Temperatur von ca. 400 °C wird es in Dampf und SO3 umgewandelt, es ist nicht korrosiv, sodass Sie sogar Edelstahlkomponenten verwenden können.“

Warum Luft als Wärmeträgermedium?

Die Übertragung der Wärme in Luft eröffnet Optionen für hocheffiziente Speichersysteme wie thermochemische Speicherung oder Latentwärmespeicher in Kupfer oder Kupferlegierungen, die zwischen 900 und 1100 °C schmelzen.

Die Vorteile von Luft bestehen darin, dass sie zugänglich, frei verfügbar und reichlich vorhanden ist. Luft sei nicht korrosiv und etwaige Lecks hätten keine Auswirkungen, daher müsse sie nicht in einem geschlossenen Kreislauf gehalten werden, erklärte er.

„Es kann Luft direkt aus der Atmosphäre ansaugen und sie dann durch den Wärmetauscher leiten, um die Wärme zu speichern. Und dann kann es diese Luft ablassen, sobald sie abgekühlt ist.“

Bei anderen Wärmeübertragungsmaterialien „muss man sicherstellen, dass das System überall dicht ist, und wenn etwas verloren geht, muss man mehr kaufen, um es auszugleichen. Mit Luft hat man dieses Problem nicht.“

Im Gegensatz zu vielen Wärmeträgermedien, die bei hohen Temperaturen ihre molekulare Struktur verändern können, bleibt Luft bei hohen Temperaturen stabil.

Ein Luftbehälter scheint jedoch chemische Reaktionen mit Flüssigkeiten wie Wasser auszuschließen. Nicht so, sagte Lapp.

„Es gibt nur sehr wenige Flüssigkeiten, die in dem für uns interessanten Temperaturbereich von 600 bis 800 Grad flüssig bleiben“, erklärte er. „Die meisten chemischen Reaktionen, mit denen wir uns befassen, finden entweder mit Gasen wie Methan oder mit festen Materialien wie Metalloxidreaktionen statt.

Selbst die Wasserspaltung erfolgt bei so hohen Temperaturen, dass Wasser nicht flüssig, sondern Dampf ist.

„Wasser, das bereits als Dampf eindringt, macht es viel einfacher, den Behälter zu konstruieren. Man hat nicht die Probleme der Dampfausdehnung während des Kochens. Es ist einfacher, ihn für Dampf dicht zu halten als für Flüssigkeit“, sagte er. Um das Wasser für die Spaltung vorzubereiten, wurde es zunächst direkt im Turm zu Dampf erhitzt.

„In diesen Hochtemperatur-Solarreaktoren ist der zentrale Punkt des Turms, auf den sich alle Spiegel fokussieren, für die Hochtemperaturchemie am besten geeignet. Wir erhalten in der Mitte einen sehr hohen Fluss, um 600–800 °C zu erreichen. Aber es gibt immer eine Menge Strahlungsverschwendung.“ „Es gibt immer noch genug Licht, um es auf 200 bis 300 °C zu erhitzen, nicht genug für Chemie, aber genug, um Wasser zu Dampf zu verdampfen“, betonte Lapp.

Die frühesten thermochemischen Reaktoren waren Kernreaktoren

Die Forschung zur Verwendung von Reaktoren zur Durchführung der Thermochemie begann in den 60er Jahren mit der Kernenergie, wurde jedoch aufgegeben, als es den Forschern nicht gelang, Kernreaktionen auf die erforderlichen Temperaturen zu bringen. Nur sehr wenige Kernreaktorkonstruktionen konnten 800 °C erreichen.

Aber in jüngerer Zeit haben Solarreaktoren diese Forschung in der Thermochemie aufgegriffen und basieren eher auf Sonnenwärme als auf Kernenergie. Im Pilotmaßstab erreichen sie unter Nutzung hochkonzentrierten Sonnenlichts bereits Temperaturen zwischen 800 und 1500 Grad Celsius.

Solarreaktoren umfassen nicht den großen Kraftwerksblock eines CSP-Kraftwerks, bei dem es sich um ein vollständig thermisches Kraftwerk handelt, das Strom erzeugt (außer mit Wärme, die von der Sonne geliefert wird). Solarreaktoren benötigen zur Stromerzeugung weder eine große Turbine noch einen Generator, sondern bestehen lediglich aus einem Turm, einem Solarfeld, einem Receiver und der Reaktionskammer. Hinzu kommt bei CONTISOL ein Speichersystem, das die Wärme aus der Luft in den Wärmetauscher überträgt.

Um beispielsweise Wasserstoff zu erzeugen, würde ein Solarreaktor vom CONTISOL-Typ aus einem Solarfeld aus Heliostaten (Spiegeln), einem Turm, einem Luftbehälter und dem Wärmespeicher bestehen. Die Spiegel würden Sonnenlicht in den Luftkanal reflektieren; Erhitzen der Luft in zwei Sätzen kleiner Kammern, die die Luft entweder zur Reaktionskammer für die thermochemische Reaktion oder zum Wärmespeicher leiten.

Der Wasserstoff könnte dann in weiteren Reaktionen verwendet werden – wenn man ihn lagern würde, um ihn über Nacht heiß zu halten – oder man würde ihn aus der Reaktionskammer im Turm herausleiten, um ihn zu komprimieren, einen Tank füllen und ihn abgeben.

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Artikel: Herstellung und Prüfung von CONTISOL: Ein neuer Receiver-Reaktor für die Tag- und Nacht-Solarthermochemie

http://www.solarpaces.org/wp-content/uploads/Fabrication-and-testing-of-CONTISOL-A-new-receiver-reactor-for-day-and-night-solar-thermochemistry.pdf

Über SolarPACES:

SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems) ist eine internationale Zusammenarbeit von Forschern, die sich mit der Weiterentwicklung der Solarthermie befassen. Dazu gehören die flexible und steuerbare Solarstromerzeugung, die Speicherung thermischer Energie, industrielle Anwendungen und thermochemische Solarbrennstoffe.

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Angewandte Wärmetechnik

10.1016/j.applthermaleng.2017.08.001

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