Das Projekt SolarFuels bietet eine Alternative, um Synthesegas (oder Syngas) klimafreundlich und resilient zu produzieren. Synthesegas stellt als vielseitiges Zwischenprodukt die stoffliche Grundlage für eine Vielzahl von wichtigen chemischen Prozessen dar. Es besteht aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) und kann etwa zur Methanolsynthese genutzt oder in einer Fischer-Tropsch-Anlage zu synthetischem Rohöl umgesetzt werden. Synthetisches Rohöl wiederum kann in industriell etablierten Verfahren zu flüssigen Treibstoffen wie Kerosin verarbeitet werden.
Seit Mitte des letzten Jahrhunderts wird Synthesegas überwiegend durch eine katalytische Umwandlung von Erdgas – mit Methan (CH4) als Hauptbestandteil – und Wasserdampf (H2O) hergestellt. Dazu sind hohe Temperaturen und Drücke notwendig. Dadurch, dass dieses Verfahren Erdgas als Rohstoff und meist auch als Energieträger zur Erreichung der erforderlichen, hohen Betriebstemperaturen nutzt, werden dabei erhebliche Mengen an Kohlendioxid (CO2) ausgestoßen und zudem fossile Ressourcen verbraucht.
Solare Reformierung von Biogas
Einen regenerativen Ansatz zur Erzeugung von Synthesegas bietet hingegen die Verwendung von Biogas als Ausgangsmaterial in Kombination mit konzentriertem Sonnenlicht zur Bereitstellung von Wärme. Dazu wird in einer Solarturmanlage Sonnenlicht über zweiachsig sonnennachgeführte Spiegel (Heliostate) auf einen Receiver konzentriert. Das in Biogas vorhandene CO2 nimmt an der Reaktion teil und wird so verwertet.
Diese solare Reformierung von Biogas – mit den Hauptbestandteilen CH4 und CO2 – bietet die Möglichkeit, Synthesegas unter Einsatz von H2O klimafreundlich herzustellen und dabei fluktuierende Solarenergie chemisch zu speichern. Die dadurch nach weiteren Prozessschritten gewonnenen solaren, synthetischen Kraftstoffe sind eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen, fossilen Kraftstoffen und können insbesondere in schwer zu elektrifizierenden Bereichen des Transportwesens wie dem Flug- (als SAF – sustainable aviation fuels) und dem Schwerlastverkehr einen wichtigen Beitrag zur Reduktion klimawirksamer Emissionen leisten.
Weiterentwicklung von Hauptkomponenten und Demonstration im industriellen Maßstab
Ziel des Projektes SolarFuels ist es, die gesamte solarbasierte Technologiekette von den Ausgangsstoffen zu synthetischem Rohöl in einem optimierten, integrierten Gesamtsystem in industriell relevantem Maßstab zu demonstrieren. Dabei entwickelt das Projektteam drei Hauptkomponenten für die Nutzung von Hochtemperatur-Solarwärme entscheidend weiter und qualifiziert sie für den Einsatz unter praxisnahen Bedingungen in dem Gesamtsystem:
Ein solar-absorbierender Gas-Receiver, der auf der Spitze eines Solarturms konzentrierte Solarstrahlung von den auf ihn gerichteten Spiegeln eines Solarfeldes empfängt und dabei Dampf auf Temperaturen von mehr als 1200°C erhitzt
Ein Reformierungsreaktor, der die in dem heißen Dampf enthaltene Energie dazu nutzt, aus CO2, H2O und CH4 an einem Katalysator effizient Synthesegas mit passender Zusammensetzung für die nachgelagerte Fischer-Tropsch-Anlage zu erzeugen
Ein thermischer Speicher, der in sonnenreichen Phasen über den heißen Dampf beladen wird und in sonnenarmen Phasen Wärme für den Reformierungsreaktor liefert
Synhelions Anlage DAWN zur Produktion solarer Kraftstoffe im industriellen Maßstab.
Credit:
Synhelion
Die Pilotanlage DAWN, die weltweit erste Sun-to-liquid-Anlage im industriellen Maßstab, wurde von dem Unternehmen Synhelion im Brainergy Park Jülich errichtet und im Sommer 2024 eingeweiht. In der Anlage DAWN werden alle Komponenten integriert und zusammen betrieben. Diese Demonstration des gesamten Prozesses zur Herstellung von synthetischem Rohöl stellt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg der Defossilisierung des Transportsektors dar.
Die Chemie muss stimmen
Das DLR-Institut für Future Fuels übernimmt im Rahmen des Projektes die Aufgabe, kommerziell verfügbare Katalysatoren in einem eigens dafür entwickelten Teststand unter praxisrelevanten Bedingungen zu untersuchen. Dabei leiten Forscherinnen und Forscher definierte Mischungen aus CO2, H2O und CH4 bei Drücken bis zu 5 barabs durch ein kontrolliert beheiztes Katalysatorbett mit Temperaturen von bis zu 1000°C und analysieren entstehende Produktgase. Die Größe des Katalysatorbetts zielt auf die Bedingungen eines industriellen Einsatzes ab. Der Teststand bietet jedoch Messmöglichkeiten mit labortypischer Präzision und eignet sich somit als Schnittstelle zwischen Labor und großtechnischer Anwendung.
Neben Temperatur und Druck beeinflussen die Zusammensetzung des eingeleiteten Gasgemisches, die Verweilzeit und die Leistungsfähigkeit des Katalysators die Zusammensetzung des Produktgases, welche final für die Verwendung des Synthesegases in einer Fischer-Tropsch-Anlage geeignet sein muss. Die Forschenden erarbeiten reaktionskinetische Modelle – also Beschreibungen, wie die chemischen Reaktionen zeitlich in Abhängigkeit von den Einflussfaktoren ablaufen – und bereiten diese für die Nutzung in Reaktor- und Systemmodellen auf.
Ein Fokus liegt auf der Bewertung des Risikos von unerwünschten Kohlenstoffablagerungen, welche zu einer Deaktivierung des Katalysators führen können. Höhere CO2-Anteile sowie reduzierte Wasseranteile im eingeleiteten Gasgemisch sind prozesstechnisch anzustreben, um ein passendes H2/CO-Verhältnis für die nachgelagerte Fischer-Tropsch-Einheit zu ermöglichen, erhöhen jedoch das Risiko von Kohlenstoffablagerungen. Entsprechende Betriebsgrenzen müssen katalysatorspezifisch identifiziert werden.
Die Arbeiten am DLR bilden eine wichtige Grundlage für das Verständnis relevanter chemischer Phänomene am Katalysator sowie die Optimierung von Reformierungsreaktoren und deren Betriebsbedingungen.
