In Hochtemperaturreaktoren werden Verfahren demonstriert, bei denen chemische Reaktionen durch die Integration konzentrierter Solarstrahlung bei hohen Temperaturen ablaufen, typischerweise oberhalb von 500°C. Die gängigsten Verfahren in diesem Zusammenhang sind auf Redoxsytemen basierende thermochemische Kreisprozesse zur Herstellung von Brennstoffen wie Wasserstoff, Synthesegas oder auch Düngemitteln und thermochemischer Energiespeicherung. Aber auch Reformierung, Metallrecycling und Hochtemperaturelektrolysen dienen als Anwendungsgebiet dieser Reaktoren.
Um die notwendigen Prozesstemperaturen bereit zu stellen, sind punktfokussierende Systeme notwendig. Die konzentrierte Strahlung wird in einem Receiver absorbiert und für den chemischen Prozess als Wärme zur Verfügung gestellt. Ein detailliertes Verständnis der physikalischen und chemischen Vorgänge innerhalb des Reaktors ist essentiell für ein optimiertes und skalierbares Design des Gesamtsystems. Im Detail wird zum Beispiel die Kinetik der beteiligten Reaktionen, der Transportvorgänge von Spezies in der Gasphase und in Festkörpern sowie der relevanten Wärmeübertragungsmechanismen untersucht und weiterentwickelt. Grundlegende Untersuchungen zu diesen Vorgängen finden durch numerische Simulationen und im Labor statt, unter anderem im Kompetenzzentrum CeraStorE®. Dort untersucht die Abteilung Solare Verfahrenstechnik gemeinsam mit den DLR-Instituten für Technische Thermodynamik und Werkstoffforschung den Einsatz von neuen keramischen Materialien für die Energietechnik.
Einige untersuchte Prozesse in der solaren Verfahrenstechnik bestehen aus zwei Reaktionen, die sich unter anderem durch unterschiedliche Temperaturniveaus oder die Gasatmosphäre unterscheiden. Um solche Prozesse solarthermisch abzubilden, kommen Zwei-Kammer-Reaktoren zum Einsatz (siehe Abbildung oben). Im gezeigten Beispiel wird der Reaktor für die sukzessive Zersetzung von Schwefelsäure, zuerst in Schwefeltrioxid und dann in Schwefeldioxid, eingesetzt. Durch die Separierung in zwei Kammern ist es möglich, Verweilzeiten und Temperaturniveaus entsprechend der einzelnen Teilreaktion zu optimieren.
Ein weiteres innovatives Konzept für die Umsetzung thermochemischer Prozesse ist der Drehrohrreaktor. Mit einem ausgeklügelten Transportsystem ist es möglich, Partikel kontinuierlich durch den Reaktor zu führen und solarthermisch aufzuheizen. Diese Reaktoren werden für die thermische Reduktion von Redoxmaterialien eingesetzt. Da dieses Reaktorkonzept bewegte Teile vorsieht, ist vor allem die Abdichtung des Reaktors gegen die umgebende Gasatmosphäre problematisch und unter anderem Gegenstand aktueller Forschung.
Einer erfolgreichen Validierung im kleinen Maßstab schließt sich typischerweise ein Feldtest einer Demonstrationsanlage im Maßstab von einigen Hundert kW bis 1 MW auf einem Solarturm, zum Beispiel in Jülich oder Almería an.