Produktion von solarem Düsentreibstoff aus CO2 und Wasser in Felddemonstration vergrößert |  Forschen

Produktion von solarem Düsentreibstoff aus CO2 und Wasser in Felddemonstration vergrößert | Forschen

Solarplatten

Als Weltneuheit wurde Kerosin unter Verwendung von Sonnenenergie, Wasser und Kohlendioxid in einer vollständig integrierten Solarturmkonfiguration synthetisiert. Eine Anordnung von 169 sphärischen Reflektoren fokussierte die Sonnenstrahlung auf einen auf einem Turm montierten Reaktor in der Nähe von Madrid, Spanien, und lieferte die Wärmeenergie für die Umwandlung.

Die Reflektoren liefern etwa 50 kW solare Strahlungsleistung – das Äquivalent von 2500 Sonnen – direkt in die 16 cm breite Öffnung des Reaktors. “Es gibt reflektierende Spiegel, die der Sonne folgen und die Sonnenstrahlung auf die Spitze des Turms umleiten und fokussieren”, sagt der leitende Forscher. Aldo Steinfeld an der ETH Zürich, der Eidgenössischen Technischen Hochschule.

Der Eckpfeiler der Technologie ist der Solarreaktor, der 2021 auf dem Dach der ETH Zürich in der Schweiz im Feld getestet wurde. Dieses System fängt Kohlendioxid und Wasser direkt aus der Luft ein und wandelt sie in Brennstoff um. Der Solarreaktor reduziert bei Temperaturen um 1500 °C thermisch das Redoxmaterial Ceroxid. Das Ceroxid reduziert dann Kohlendioxid und Wasser, wenn es in den Reaktor eintritt, wodurch Kohlenmonoxid und Wasserstoff – Syngas – erzeugt werden, das dann unter Verwendung von Standardtechnologie in synthetischen Brennstoff umgewandelt wird.

„Dies ist das erste Mal, dass Kerosin auf einem echten Solarturm aus der Luft produziert wird und nicht von einem Simulator“, bemerkt er Christian Sattler am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Deutschland, dessen Gruppe mit Steinfeld zusammenarbeitete. “Dies ist ein großer Schritt nach vorne, da es für die weitere Skalierung von entscheidender Bedeutung ist.” Das DLR betreibt zwei Solartürme zur Entwicklung solarer Kraftstoffe.

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„Noch ist es eine Demonstration zu Forschungszwecken, aber dieses Mal hat es eine technische Größe und eine für die industrielle Anwendung relevante Solarturmkonfiguration“, fügt Steinfeld hinzu. Der Solarreaktor ist etwa 10 Mal größer als der Feldtest 2021 und erzeugt etwa 1 Liter Kerosin pro Tag. Solartürme und ähnliche Heliostatenfelder sind bereits kommerziell in Betrieb und erzeugen Strom, indem sie Dampf erzeugen, um eine Turbine anzutreiben.

Planen

In der neuen Konfiguration wurde ein Solar-zu-Syngas-Umwandlungswirkungsgrad von 4,1 % erreicht. „Das ist ein Rekordwert für die thermochemische Umwandlung von Sonnenenergie in Synthesegas, aber immer noch ein niedriger Wert, um die Technologie wirtschaftlich attraktiv zu machen“, sagt Steinfeld. Er prognostiziert, dass wir innerhalb von fünf Jahren „Effizienzwerte über 10 % vorweisen können und längerfristig mit zunehmender Technologiereife Werte über 15 % erreichen sollten“.

Der Luftverkehrssektor ist für etwa 5 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich, daher besteht ein Bedarf an CO2-neutralem Kerosin, um fossile Brennstoffe zu ersetzen.

Die ETH Zürich-Gruppe plant, die Umwandlungseffizienz ihres Prozesses auf drei Arten zu verbessern. Zunächst werden die Forscher die Zusammensetzung des Redoxmaterials verbessern, beispielsweise mit dotiertem Ceroxid oder Perowskiten. Die zweite besteht darin, poröse Ceroxid-vernetzte Keramikstrukturen zu verbessern, um die Wärme- und Stoffübertragung zu verbessern. „Wir arbeiten derzeit an 3D-gedruckten Strukturen, die in der Lage sind, Sonnenstrahlung effizienter zu absorbieren und eine gleichmäßigere Temperatur im Inneren des Hohlraumreaktors zu erreichen und somit eine höhere Energieumwandlung in Heizwert des Brennstoffs zu erzielen“, erklärt Steinfeld.

Die dritte Möglichkeit zur Verbesserung der Effizienz besteht darin, Abwärme während des Redoxzyklus zurückzugewinnen, wenn die Temperaturen einige hundert Grad unter die für den Oxidationsschritt erforderlichen Temperaturen fallen. Diese Wärme könnte eingefangen und zum Solarreaktor umgeleitet werden.

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Es ist „sehr aufregend zu sehen, wie diese Technologie in großem Maßstab demonstriert wird“, sagt der Maschinenbauingenieur Jonathan Scheffe an der University of Florida, der an einer Präsentation von Steinfelds Forschung teilnahm Internationale Konferenz für Festkörperionen In Boston. “Es zeigt deutlich, was wir tun müssen, um dies kommerziell rentabel zu machen.”

Schweizer Unternehmen Synhelia, ein Spin-out der ETH Zürich, baut in Jülich, Deutschland, die weltweit erste industrielle Anlage zur Herstellung von CO2-neutralem Solartreibstoff. „Die Inbetriebnahme der Anlage ist für 2023 geplant und Swiss International Air Lines wird die erste Fluggesellschaft sein, die mit unserem solaren Kerosin fliegt“, sagte ein Sprecher. „Danach rechnen wir damit, bis 2025 die erste kommerzielle Produktionsanlage in Spanien in Betrieb zu nehmen.“

„Diese Demonstration ist erstmals um eine Größenordnung größer [than previous setups]im Freien in einer Tower-Konfiguration mit vollständiger Integration aller drei Subsysteme“, merkt er an Ellen Stechel, Chemiephysiker an der Arizona State University, USA. „Andere, einschließlich uns selbst, haben sich dieses vollständig integrierte System auf dem Papier vorgestellt und eine Analyse dessen durchgeführt, was möglich ist“, fügt sie hinzu. „Allerdings gibt es keinen Ersatz [for] echte Demonstration mit allen Komplexitäten der realen Welt. Daher ist diese Arbeit für das größere Feld ein wichtiger Schritt in Richtung Kommerzialisierung.

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