Bei der solaren Herstellung von Kraftstoffen wird solare Energie eingesetzt, um chemische Produktionsprozesse anzutreiben. Für die Übertragung der Sonnenenergie auf die Reaktionssysteme gibt es zwei Ansätze: den direkten Weg über optische Systeme oder den indirekten Energietransfer über Wärmeträger.
In direkten Systemen erfolgt die Synthese des Kraftstoffs direkt am Ort der Lichtabsorption. Das bedeutet, dass die Energie der Sonne direkt genutzt wird, um den Kraftstoff zu erzeugen.
Bei indirekten Systemen hingegen sind die Orte der Lichtabsorption und der Synthese voneinander getrennt. Dabei kommt in der Regel ein Wärmeträgermedium zum Einsatz, um die thermische Energie vom Ort der Strahlungsaufnahme beziehungsweise vom Receiver zu einem Reaktor zu übertragen.
Wärmeträger für die kontinuierliche Beheizung thermischer Prozesse
Wärmeträgermedien spielen in thermischen Prozessen eine wichtige Rolle, weil sie helfen, die Reaktionen genau im gewünschten Temperaturbereich zu steuern. Zusätzlich können Wärmeträgermedien entweder direkt oder über einen Wärmeübertrager mit einem thermischen Speicher verbunden werden. Diese Kopplung ermöglicht eine gleichmäßige und kontinuierliche Produktion. Die Auswahl des richtigen Wärmeträgers ist entscheidend, um sicherzustellen, dass thermische Prozesse effizient, sicher und umweltfreundlich ablaufen.
Je nach Temperaturbereich gibt es die passenden Wärmeträgermaterialien zur Beheizung von thermischen Prozessen:
Wasser- oder Wasser-Glykolmischung: für Temperaturen unter 150 Grad Celsius.
Organische Wärmeträgermedien: maximale Einsatztemperatur bisher 400 Grad Celsius, neue siliziumorganische Wärmeträgermedien erlauben höhere Temperaturen. Bei Tests im Institut für Future Fuels wurden 425 Grad Celsius erreicht.
Salzmischungen aus Alkali-/Erdalkalimetallnitraten oder -halogeniden: für Betrieb im Temperaturbereich von mindestens 550 Grad Celsius bis maximal 650 Grad Celsius.
Hoch-schmelzende Spezialsalze (Fluoride), Metallschmelzen und Gase: für Wärmeübertragung bei Temperaturen oberhalb von 700 Grad Celsius.
Am Institut für Future Fuels untersuchen wir vor allem Wärmeträger für Prozesse ab circa 200 Grad Celsius.
Proben einer Biphenyl-Diphenylether-Mischung
Die Mischungen wurden in einem Laborexperiment bei 410 Grad Celsius zwischen 100 bis 2.000 Stunden thermisch belastet.
Der Wärmeträger sollte den spezifischen Anforderungen des thermischen Prozesses standhalten ohne seine Eigenschaften zu verändern. Die chemische Stabilität des Wärmeträgers ist von großer Bedeutung, um unerwünschte Nebenprodukte oder Reaktionen mit anderen Materialien im System zu vermeiden. Zudem ist eine effiziente Wärmeübertragung entscheidend. Der Wärmeträger sollte in der Lage sein, Wärme effektiv aufzunehmen und zu übertragen, um eine schnelle und gleichmäßige Beheizung des Systems zu gewährleisten.
Auch die Umweltauswirkungen des Wärmeträgers sind zu berücksichtigen. Idealerweise sollte er ungiftig und umweltverträglich sein, um potenzielle Risiken für Mensch und Umwelt zu minimieren. Die Verfügbarkeit und die Kosten des Wärmeträgers sind weitere wichtige Faktoren. Ein wirtschaftlich erschwinglicher und leicht verfügbarer Wärmeträger erleichtert den Betrieb und die Wartung des Systems.
Außerdem sollte das Wärmeträgermaterial möglich leicht zu handhaben und das Wärmeträgersystem einfach zu warten sein. Ein damit verbundener hoher Aufwand kann die Betriebskosten erhöhen und die Effizienz des Prozesses beeinträchtigen.
Wärmeträger für solarthermische Parabolrinnenkraftwerke
Kommerzielle Parabolrinnenkraftwerken nutzen im Solarfeld derzeit meist ein Thermoöl als Wärmeträgermedium, das zu etwa 26,5 Prozent aus Biphenyl (BP) und 73,5 Prozent aus Diphenylether (Diphenyloxid, DPO) besteht und das in den Anlagen bis maximal 393 Grad Celsius erhitzt werden soll. Diese Temperaturbegrenzung beeinflusst den maximalen Wirkungsgrad des Kraftwerksprozesses. Das Fluid neigt selbst bei Temperaturen unter 400 Grad Celsius zur allmählichen Zersetzung, was zu einer sich selbst verstärkenden Zersetzungsrate führt.
Solarthermische Parabolrinnenanlage
Auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien (Eigentümer: Forschungszentrum CIEMAT / Spanien) untersucht das DLR die Funktion und Optimierung von Wärmeträgern in Parabolrinnenkraftwerken.
Am Institut für Future Fuels untersuchen wir neben der Zersetzung der BP/DPO-Mischung die Wasserstoffbildung, -verteilung und -eliminierung in Wärmeträgersystemen der Kraftwerke sowie das Wasserstoffaufnahmeverhalten der Solarstrahlungsempfänger (Receiver), um unerwünschte Ansammlungen des Gases zu vermeiden, die während des Betriebs entstehen können. Diese würden zu erhöhten Wärmeverlusten führen, weil Wasserstoff die Isolationseigenschaften der Receiver beeinträchtigen kann.
Tests im Institut für Future Fuels haben gezeigt, dass neue siliziumorganische Fluide (Silikonöle) im Vergleich eine geringere Tendenz zur Wasserstoffbildung aufweisen. Bei 400 Grad Celsius bilden diese Fluide nur während der Inbetriebnahme eine geringe Menge Wasserstoff und langfristig keinen weiteren. Bei deutlich höheren Betriebstemperaturen wie 430 Grad Celsius ist die langfristige Wasserstoffbildung der Silikonöle viel geringer ist als bei herkömmlichen BP/DPO-Mischungen bei nur 400 Grad Celsius.
Qualifizierung von innovativen Wärmeträgerfluiden
Wir erforschen und entwickeln neue Wärmeträgerflüssigkeiten, die bei höheren Temperaturen betrieben werden können. Neben ihrer verbesserten thermischen Belastbarkeit spielen auch andere Eigenschaften eine wichtige Rolle, die die Entwicklung neuer Fluide oder selektiver Fluidpflegeprozesse antreiben: geringe Toxizität, umweltfreundliches Verhalten im ungenutzten und genutzten Zustand sowie anwendungstechnische Eigenschaften wie niedriger Schmelzpunkt, geringer Dampfdruck, hohe Wärmekapazität, hohe Wärmeleitfähigkeit, moderate Viskosität, moderate Dichte und geringe Volumenzunahme bei Erwärmung.
Die Forschung und Untersuchung neuer Wärmeträgerflüssigkeiten finden im Wärmeträgerlabor und in den Technikumsanlagen unseres Instituts statt. Dabei werden nicht nur neue Materialien und deren Eigenschaften analysiert, sondern auch entscheidende technische Komponenten wie Pumpen, Sensoren, Ventile, Massenstrommesssysteme und Korrosionseigenschaften qualifiziert.
Stahlproben im Wärmeträgerlabor des Instituts für Future Fuels
Zustand nach 72 Stunden (links erstarrt) und 144 Stunden (rechts in der Schmelze) bei 500 Grad Celsius in Natrium-/Kaliumnitratschmelze.
