Das Projektteam wird die in HELIX entwickelten Verfahren im Sonnensimulator Synlight des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt testen – der größten künstlichen Sonne der Welt.
Nachhaltige Kraftstoffe aus der Wärme der Sonne entwickeln und bewerten
Laufzeit: 1.1.2026 - 31.12.2028
Die Unabhängigkeit des Verkehrssektors sowie der chemischen Industrie von fossilen Rohstoffen wird im Hinblick auf Klimaschutz und Versorgungssicherheit immer bedeutsamer. Deshalb setzt HELIX als direktes Nachfolgeprojekt des Forschungsvorhabens SOLHYKO die Entwicklung innovativer Verfahren zur nachhaltigen Produktion synthetischer Kraftstoffe, wie Kerosin und Schiffsdiesel, aus Solarenergie fort. Zudem können mit dem Verfahren chemische Grundstoffe produziert werden, die für die Herstellung von Kunststoffen, Lacken, Lösungsmitteln und anderen Industrieprodukten genutzt werden können. Im Zentrum der Forschungsarbeit stehen zwei Prozesse zur Nutzung solarer Hochtemperaturwärme: der thermochemische Kreisprozess mithilfe von Redoxmaterialien sowie die solare Reformierung von Biogas.
Für beide Verfahren wird die Strahlung der Sonne gebündelt, um mithilfe thermischer Energie Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) in Synthesegas, ein Gemisch aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), aufzuspalten. Dieses Synthesegas dient zum Beispiel als Zwischenprodukt zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe, deren Kohlenwasserstoffketten weitgehend heutigen Kraftstoffen entsprechen und diese somit ersetzen können. Zudem kann Synthesegas als Grundlage für jegliche chemische Grundstoffe genutzt werden, die heute auf fossilen Kohlenwasserstoffen basieren.
Werden neben der Wärme und dem Wasser auch das CO2 aus nachhaltigen Quellen gewonnen – beispielsweise aus der Umgebungsluft oder biogenen Quellen –, entstehen nachhaltige Kraftstoffe, die bei der Verbrennung nur jene Menge CO2 freisetzen, die zuvor der Atmosphäre entzogen wurde.
Die direkte Nutzung von Solarwärme für den Spaltprozess bietet Vorteile, da der Bedarf an Strominfrastruktur im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren auf ein Minimum reduziert werden kann. HELIX testet die neuen Reaktoren in den einzigartigen Großanlagen für konzentrierte Solarstrahlung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Vom Labor hin zu einer großtechnischen Anlage
Im Forschungsprojekt HELIX untersucht das Projektteam solarthermische Prozesse zur Herstellung solarer Kraftstoffe mithilfe von Laborversuchen und modellbasierten Simulationen. Die Forschenden gewinnen dabei neue Erkenntnisse zu Anlagendesign, Betriebsverhalten, Materialalterung und Energieeffizienz, um die nötigen Entwicklungsschritte bis hin zur Industriereife vorzubereiten.
Im Fokus stehen Schlüsselkomponenten wie solare Receiver, die konzentrierte Solarstrahlung in Hochtemperaturwärme umwandeln, sowie die Reaktoren, in denen die chemische Spaltung stattfindet. Um die Verfahren unter konstanten Bedingungen zu testen, führt das Projektteam die Experimente unter künstlichem Sonnenlicht im weltweit größten Sonnensimulator Synlight des DLR durch.
Synlight - Die größte künstliche Sonne der Welt
In einer 18 m hohen Halle bilden 149 Hochleistungsstrahler eine 14 x 16 m große Wand aus Licht. Mit ihrer Hilfe können wissenschaftliche Versuche mit dem 10.000-fachen der natürlichen Sonnenstrahlung bestrahlt werden.
Um mithilfe eines Redoxkreisprozesses Synthesegas zu produzieren, werden durch konzentrierte Sonnenstrahlung chemische Reaktionen in speziellen Materialien, sogenannten Redoxmaterialien, ausgelöst. Bei Temperaturen von über 1.400 Grad Celsius wird dem Redoxmaterial in Form von Metalloxiden Sauerstoff entzogen und freigesetzt (Reduktion). In einem zweiten Schritt wird das sauerstoffarme Material abgekühlt und nimmt dabei erneut Sauerstoff auf, um diesen Mangel auszugleichen (Oxidation).
Dazu wird es mit H2O und CO2 in Kontakt gebracht und entzieht beiden Stoffen Sauerstoffatome. Dabei entsteht ein Gemisch aus H2 und CO – das gewünschte Synthesegas. Dieses dient als Ausgangsstoff für die weitere Herstellung synthetischer Kraft- und Grundstoffe. Der zyklische Prozess nutzt dabei ausschließlich Wasser, CO2 und Wärmeenergie konzentrierter Sonnenstrahlung.
Darstellung thermochemischer Zyklus
Herstellung von Synthesegas über einen thermochemischen Zyklus.
Credit:
Inspired by Net-Zero Web-Atlas (atlas.netto-null.org)
Im Vorgängerprojekt SOLHYKO wurde die Spaltung von H2O in H2 und Sauerstoff untersucht. HELIX geht nun einen Schritt weiter und entwickelt die gleichzeitige Spaltung von H2O und CO2, um Synthesegas direkt in einem einzigen Prozessschritt zu erzeugen. Dadurch wird die Prozesskette im Vergleich zu vielen konkurrierenden Verfahren – beispielsweise mit dem Zwischenschritt der Wasserelektrolyse – deutlich vereinfacht.
Solare Reformierung von Biogas
Biogas besteht zu großen Teilen aus Methan (CH4) und CO2 und eignet sich damit hervorragend für die Herstellung von Synthesegas. Die benötigte Hochtemperaturwärme wird durch konzentrierte Solarstrahlung bereitgestellt, mit der das Biogas sowie zusätzlicher Wasserdampf erhitzt werden. Durch den Kontakt mit einem Katalysator werden die Edukte chemisch umgesetzt, sodass schließlich ein Gemisch aus H2 und CO entsteht – wiederum das gewünschte Synthesegas.
Darstellung Solare Reformierung
Herstellung von Synthesegas durch die Solare Reformierung.
Credit:
Inspired by Net-Zero Web-Atlas (atlas.netto-null.org)
Ein bereits industriell etabliertes Verfahren ist die konventionelle Reformierung von Erdgas. Dabei werden sowohl die Ausgangsstoffe als auch die benötigte Prozesswärme aus fossilen Ressourcen gewonnen. Die solare Reformierung von Biogas besitzt daher das Potenzial, Treibhausgasemissionen sowie die Abhängigkeit von fossilem Erdgas deutlich zu reduzieren.
Viele Schritte bis zum Ziel innerhalb des HELIX-Projekts
HELIX entwickelt sowohl die Verfahren zum solarthermischen Redoxkreisprozess – in monolithischer und partikelbasierter Ausführung – als auch die solare Reformierung von Biogas weiter und baut dabei auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojekts SOLHYKO auf. Hierfür entwickelt das Projektteam bereits identifizierte Redox- und Katalysatormaterialien weiter und optimiert ihre Herstellungsverfahren.
Aufgrund der hohen Prozesstemperaturen ist zudem die Verbesserung der Wärmeübertragung und Wärmespeicherung von entscheidender Bedeutung, um effiziente Reaktorsysteme zu entwickeln. Zur Wärmebereitstellung für den Reformierungsprozess wird ein innovativer Luftreceiver entwickelt, der solare Prozesswärme bei über 1.000 Grad Celsius bereitstellen kann. Die Forschenden konzipieren für alle untersuchten Produktionsverfahren neue Teststände und demonstrieren diese im Labormaßstab.
Ergänzend entwickelt das Projektteam detaillierte, mathematische Simulationsmodelle, um unterschiedliche Prozessdesigns und Betriebszustände bereits in frühen Entwicklungsphasen bewerten zu können. Die Modelle liefern Erkenntnisse über das Verhalten der Reaktoren sowie ihr Zusammenspiel mit weiteren Komponenten der Kraftstoffproduktion. Ein besonderer Fokus liegt auf der intelligenten Nutzung von Hochtemperatur-Abwärme in angrenzenden Prozessschritten sowie auf der Entwicklung vorausschauender Betriebsstrategien zur Steigerung der Gesamteffizienz. Darüber hinaus untersuchen die Forschenden die Skalierung der Reaktorsysteme hin zum industriellen Maßstab, um die Voraussetzungen für eine spätere Markteinführung zu schaffen.
Begleitend bewertet das Projektteam die Verfahren hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen, ökologischen und sozioökonomischen Auswirkungen. Dabei stehen insbesondere die Senkung der zukünftigen Kraftstoffkosten sowie die Analyse der Auswirkungen auf Umwelt und Gesellschaft über den gesamten Lebenszyklus der Anlage im Mittelpunkt. Abschließend untersuchen die Forschenden sowohl die Bedeutung politischer Anreizinstrumente als auch das Potenzial internationaler Versorgungsketten für solare Kraftstoffe, um geeignete Produktionsstandorte und Absatzmärkte zu verbinden.
Der Bedarf am Markt als Kompass
Die Notwendigkeit, zukünftige Quellen nachhaltiger Grund- und Kraftstoffe zu differenzieren, wird zunehmend deutlich, um den stark wachsenden Bedarf an klimafreundlichen Alternativen im Industrie- sowie Verkehrssektor decken zu können. Dieser Bedarf wird unter anderem durch europäische Vorgaben für die kommenden Jahrzehnte konkret definiert. So sieht zum Beispiel die FuelEU Maritime-Verordnung (2023) für Schiffe mit einer Bruttoraumzahl von mehr als 5.000 Tonnen eine Reduktion der Treibhausgasintensität von 14,5 Prozent bis 2035 und 80 Prozent bis 2050 vor. Diese Ziele sollen insbesondere durch den Einsatz nachhaltiger Kraftstoffe und Effizienzsteigerungen erreicht werden.
Auch im Luftverkehr steigen die Anforderungen deutlich: Bis 2050 sollen nachhaltige Flugkraftstoffe einen Anteil von 70 Prozent am europäischen Kerosinverbrauch erreichen, wobei mindestens 35 Prozent durch synthetische Kraftstoffe gedeckt werden sollen. Parallel dazu benötigt die chemische Industrie große Mengen nachhaltig produzierter Kohlenwasserstoffe wie Methanol, um die Treibhausgasemissionen und den fossilen Ressourcenverbrauch bei der Herstellung von Kunststoffen, Lösungsmitteln und Basismaterialien zu senken. Der Bedarf an regenerativen Kraftstoffen und Chemikalien wird daher in den kommenden Jahrzehnten stark zunehmen und schrittweise Anteile der heutigen fossilen Märkte ersetzen.
Das Projekt HELIX leistet hierzu einen wichtigen Beitrag, indem es die technologische Weiterentwicklung solarer Produktionsverfahren für nachhaltige Kraft- und Grundstoffe bis hin zum industriellen Maßstab vorantreibt. Dafür arbeiten mehrere DLR-Institute mit international ausgewiesener Expertise in den Bereichen Solarenergie-, Material-, und Systemforschung eng zusammen.
Ein kontinuierlicher Austausch mit Unternehmen aus den Bereichen konzentrierende Solartechnologie, Anlagenbau, Chemieindustrie und Energiewirtschaft stellt sicher, dass die Forschungsarbeiten den aktuellen Herausforderungen und Anforderungen der Industrie ausgerichtet werden. So fördert HELIX nicht nur die technologische Entwicklung, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Forschung und Anwendung.
Projekt
HELIX
Laufzeit
1.1.2026 - 31.12.2028
Projektbeteiligte
DLR-Institut für Future Fuels
DLR-Institut für Solarforschung
DLR-Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum
