Im Projekt Photon-NRW sollen mithilfe eines innovativen Photoreaktors die wichtigen Zwischen- und Zielprodukte Kohlenmonoxid und Methan erzeugt werden.
Credit:
Jan van der Wolf
Solare Produktion von chemischen Grundstoffen in einem innovativen Photoreaktor
Laufzeit: 4.6.2024 - 31.12.2027
Um die Ziele der Pariser UN-Klimakonferenz 2015 zu erreichen, ist es erforderlich, den Ausstoß von Treibhausgasen drastisch zu reduzieren und langfristig vollständige Treibhausgasneutralität zu erlangen. Insbesondere müssen für die chemische Industrie und den Verkehrssektor Verfahren entwickelt werden, die eine nachhaltige und verlässliche Versorgung mit kohlenstoffbasierten Grundchemikalien sowie synthetischen Kraft- und Brennstoffen sicherstellen.
In dem Projekt Photon-NRW sollen mithilfe von Solarenergie in einem neuartigen Photoreaktor die wichtigen Zwischen- und Zielprodukte Kohlenmonoxid und Methan erzeugt und so dabei geholfen werden, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen. Dieser Ansatz ist nicht auf fossile Ausgangsstoffe angewiesen und trägt so potentiell zu einer Steigerung der Resilienz der Versorgungssysteme bei.
Nachhaltige Produktion von Kohlenmonoxid und Methan
Das Projekt Photon-NRW zielt auf die Weiterentwicklung, Qualifizierung und Demonstration eines Verfahrens zur nachhaltigen Produktion von Kohlenmonoxid und Methan aus Kohlendioxid und regenerativ hergestelltem Wasserstoff ab. Kohlenmonoxid ist neben Wasserstoff eine essentielle Komponente von Synthesegas, aus welchem sich in weiteren Prozessschritten flüssige Kraftstoffe (zum Beispiel Flugzeugtreibstoff) und Basischemikalien (zum Beispiel Methanol) herstellen lassen. Methan ist ein etablierter Brenn- und Kraftstoff sowie Ausgangsstoff zahlreicher chemischer Synthesen.
Das Projektteam möchte einen innovativen Photoreaktor entwickeln, in dem geeignete photoaktive Materialien das einfallende Licht absorbieren und an denen die chemischen Reaktionen zur Herstellung der erwünschten Produkte effizient ablaufen können. Das Licht beziehungsweise die Photonen können dabei aus natürlicher und/oder künstlicher Solarstrahlung stammen.
Die Forschenden wollen für den innovativen Photoreaktor hohe Wirkungsgrade und Standzeiten, also eine möglichst lange Nutzungsdauer, erreichen, die Nutzung kritischer Materialien vermeiden beziehungsweise minimieren und maßgeschneiderte Messtechnik integrieren.
Im Dreischritt zum Ziel
Das Projekt Photon-NRW ist in drei Hauptphasen unterteilt. In der ersten Phase des Projektes analysieren die Forschenden, welchen Anforderungen die photoaktiven Materialien für diese Anwendung entsprechen müssen, bevor sie mithilfe von Modellen und Experimenten vielversprechende Kandidaten identifizieren können. Anschließend untersucht das Projektteam, wie diese Materialien auf passende Trägerstrukturen aufgebracht werden können.
In dieser Projektphase entwickeln und qualifizieren die Forschenden zudem Messtechnik, um die Bestrahlungsintensität, die Reaktionstemperatur und den Druck als maßgebende Einflussfaktoren auf das Reaktionsgeschehen genau erfassen zu können. Die Wissenschaftler erarbeiten verschiedene Solarreaktorkonzepte und bewerten diese im Kontext der material-, messtechnik- und prozessseitigen Randbedingungen. Die Wahl eines geeigneten Reaktorkonzepts samt photoaktiven Materialen und Messtechnik bildet den Abschluss der ersten Phase.
Der DLR-Hochleistungsstrahler in Köln-Porz
Der zu entwickelnde, innovative Photoreaktor soll unter praxisnahen Bedingungen getestet werden – wie etwa in dem Hochleistungsstrahler in Köln-Porz.
In der darauffolgenden zweiten Phase arbeitet das Projektteam das gewählte Reaktorkonzept aus und optimiert das Design hinsichtlich der Nutzung eingestrahlter Photonen und der Strömungsführung zusammen mit der Messtechnik. Die Forschenden testen den konstruierten Photoreaktor unter praxisnahen Bedingungen. Dazu integrieren sie ihn in eine passende Testumgebung und bestrahlen ihn mit (konzentriertem) natürlichem und/oder künstlichem Licht (etwa im Hochleistungsstrahler in Köln-Porz). Wenn das Team den Betrieb erfolgreich demonstriert und die Testreihen zu variierenden Betriebsbedingungen ausgewertet hat, endet die zweite Phase.
In der letzten Phase des Projektes liegt der Schwerpunkt darauf, Simulationen des Gesamtsystems und techno-ökonomische Analysen zur Weiterentwicklung des Prozesses durchzuführen und das Potential der Technologie zu bewerten.
Komplementäre Expertise aus Deutschland und Europa
Das Projekt bündelt die Expertise von unterschiedlichen deutschen Akteuren aus Wissenschaft und Wirtschaft und deckt einen weiten Bereich von Materialentwicklung bis Verfahrensdemonstration und Technologiebewertung ab. Neben dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Institut für Future Fuels und dem Institut für Solarforschung sind an dem Projekt a) ExoMatter, eine Ausgründung des DLR und Betreiber einer leistungsstarken Plattform zur Materialentwicklung, b) GKD, ein auf technische Gewebe spezialisiertes Familienunternehmen mit 800 Mitarbeitern und c) Luna innovations Germany, die deutsche Niederlassung eines weltweit führenden Anbieters von faseroptischen Temperatur-, Dehnungs- und Akustiksensoren, an dem Projekt beteiligt. Des Weiteren bringen zwei namhafte assoziierte Partner Expertise aus dem europäischen Ausland in das Projekt ein: TNO, eine Forschungseinrichtung aus den Niederlanden (Entwicklung und Charakterisierung von photoaktiven Materialien) und die Solifos AG aus der Schweiz (Glasfasersensorik).
Gewonnene Erkenntnisse stellen eine wichtige Basis für die Verbesserung alternativer, nachhaltiger Verfahren für die Produktion von Grundchemikalien sowie Kraft- und Brennstoffen dar. Potentiell kann das Projekt einen signifikanten Beitrag dazu leisten, den Nettoausstoß an klimawirksamen Gasen in der chemischen Industrie und in dem Verkehrssektor auf nationaler und europäischer Ebene zu reduzieren sowie die Resilienz zu steigern. Das Projekt befördert die Erschließung neuer Anwendungsfelder von Unternehmen insbesondere aus dem vom Strukturwandel geprägten Nordrhein-Westfalen, aber auch bundes- und europaweit.
Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des EFRE/JTF-Programms NRW 2021-2027 gefördert. (Förderkennzeichen EFRE-20800368)
