Die Abteilung für solarchemische Verfahrensentwicklung bringt Technologien zur nachhaltigen Erzeugung von Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen aus den Labors in die Anwendung und trägt damit substantiell dazu bei, bei energieintensiven Prozessen den Ausstoß von Treibhausgasen wie CO2 zu reduzieren oder sogar komplett zu vermeiden.
Materialien, Komponenten und Produktionsverfahren zur Reduktion von Treibhausgasen
Die Industrie benötigt dringend praktikable Lösungen, die es ermöglichen, erneuerbare Energien und insbesondere Wärme in Prozesse zur Herstellung von Brennstoffen, wie Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen sowie chemischen Grundstoffen zu integrieren, um den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Wir qualifizieren dafür geeignete Materialien, Komponenten und Prozesse und überprüfen sie im Hinblick auf ihre Praxistauglichkeit.
Die Abteilung arbeitet vor allem an Schlüsselkomponenten solcher Produktionsprozesse, wie chemischen Reaktoren, Solarreaktoren und Solarabsorbern, Wärmeübertragern, speziellen Reflektoren sowie an Funktionsmaterialien wie Redoxmaterialien und Hochtemperaturkeramiken.
Reaktorentwicklung für die Erzeugung nachhaltiger Brennstoffe
Bei unseren Arbeiten an Reaktoren zur thermochemischen Wasser- und CO2-Spaltung liegt unser Fokus darauf, sie vom Labormaßstab bis zur industriell nutzbaren Größe zu skalieren und die Wirkungsgrade zu steigern. Dabei streben wir einen Systemwirkungsgrad von 10-15 Prozent an. Zentrales Element der Reaktoren ist ein feststehender oder beweglicher monolithischer keramischer Absorber, der die thermische Energie aufnimmt. Die Absorber werden im Institut als poröse, dreidimensionale Strukturen mit hoher Stabilität aus einem spezifischen, für den jeweiligen Prozess geeigneten Material hergestellt. Dafür verwenden wir möglichst langlebige Redoxmaterialien und Katalysatoren.
Das Gebäude des Hochflussdichte-Sonnenofens in Köln
Bei guten Wetterbedingungen reflektiert der Heliostat das auftreffende Sonnenlicht zu einem Konzentrator, welcher die Strahlung weiter verdichtet und zum Experimentaufbau im Gebäude leitet.
Wir erforschen die Nutzung von erneuerbarer Energie, insbesondere Solarwärme, für die Abscheidung, Konzentration und Nutzung von CO2 im Zusammenhang mit energieintensiven Prozessen der Grundstofferzeugung und der chemischen Industrie.
Eine der dazu angewandten Technologien beruht auf einem Kalzinierungs-/Carbonatisierungs-Zyklus auf der Basis von Kalkstein. Der Zyklus ist zum Beispiel in der Zementindustrie geeignet, das entstehende CO2 aufzufangen und CO2-haltige Abgase zu verdichten. Wir untersuchen mit numerischen Methoden und experimentell, ob sich dieses Verfahren auch eignet, CO2 direkt aus der Atmosphäre zu entfernen (engl. Direct Air Capture, DAC) und betrachten Verfahren zur Extrahierung und Nutzung von CO2 aus Abgasen (engl. Carbon Capture and Utilization, CCU). Zudem überprüfen wir, welche technischen Möglichkeiten es gibt, um CO2 als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien und Kohlenstofffasern nutzen zu können und verifizieren diese in Laborexperimenten und in der anwendungsnahen Demonstration. Dabei liegt unser besonderes Augenmerk auf Anwendungsmöglichkeiten für das Rheinische Revier.
Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Verbesserung und Skalierung von solar betriebenen Drehtrommelöfen. In der Zementindustrie zum Beispiel werden in Drehtrommelöfen die Ausgangsstoffe zur Zementherstellung kalziniert und gebrannt. Da sich die Öfen kontinuierlich drehen, ist eine gleichmäßige Erwärmung des darin befindlichen Materials möglich. In unseren Projekten skalieren wir die Technologie in einen Maßstab von über 100 Kilowatt, um sie zu demonstrieren.
Forschung für den Agrar-Sektor
Ein drittes übergeordnetes Thema der Abteilung befasst sich mit der Herstellung von „Grünen Düngemitteln“ auf der Basis von Nitraten, Phosphaten, Sulfaten, Schwefel und Kalk.
Eine besondere Bedeutung hat dabei die integrierte Produktion, die auf die geschickte und effektive Verknüpfung von Zwischenprodukten und Energieflüssen aus unterschiedlichen Produktionseinheiten und Produktsträngen abzielt. Ein Beispiel hierfür ist die Produktion von Nitratdünger. Hier ist es möglich, Wasserstoff, Sauerstoffstoff und Stickstoff als Neben- und Zwischenprodukte zu nutzen und in andere Prozesseinheiten zu integrieren.
SPOTLIGHT-Bestrahlung bei niedriger Leistung
Im Versuchsaufbau befinden sich ein Messgaskühler, der das bei der Reaktion entstehende Wasser kondensiert und ableitet, eine Gasverteil- und mischstation, der Reaktor sowie eine LED.
Der Reaktor zur Hochtemperatur-Elektrolyse ermöglicht die Spaltung von Wasser zu Wasserstoff auf einem höheren Temperaturniveau bei geringerem Stromverbrauch.
