7. Februar 2018
Silvan Siegrist und Pascal Kuhn sind zwei der fünf ausgezeichneten Preisträgen des Wettbewerbs der Visionen 2017. Siegrist erreichte einen der beiden ersten Plätze mit seiner Idee des Moving Brick Receiver Reactors (MBR2) und erhält eine Fördersumme von 180.000 €. MBR2 könnte die Effizienz der nachhaltigen Herstellung von Synthesegas verdoppeln. Kuhns Vision eines kombinierten Datennetzwerkes von Satellitenbildern und öffentlich zugänglichen Kameras zur Verbesserung solarer Leistungsvorhersagen kam auf den zweiten Platz und wird mit 80.000 € gefördert.
Der Wettbewerb der Visionen des DLR honoriert kreative Vorschläge aus Luftfahrt, Raumfahrt, Verkehr, Energie und Sicherheit der Mitarbeiter. Ausgewählt wird unter anderem nach gesellschaftlicher, wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Relevanz, der technologischen Realisierbarkeit beziehungsweise Anwendbarkeit und dem Nutzen für das DLR. Besondere Aufmerksamkeit gilt 'Out-of-the-box'-Ideen.
Als Synthesegas oder Syngas wird ein Gemisch bezeichnet das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) besteht. Es ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung von industriellen Grundchemikalien wie Ammoniak und Methanol. Bislang wird es vorwiegend durch Dampfreformierung aus Erdgas oder durch die Vergasung von Kohle produziert. Es existieren auch nachhaltige Herstellungsmethoden. In einem solarthermischen Verfahren wird Sonneneinstrahlung auf eine spezielle Metalloxidverbindung, ein sogenanntes Redoxmaterial, konzentriert und es auf circa 1500 Grad Celsius erwärmt. Bei dieser Temperatur wird Sauerstoff (O2) freigesetzt. Das Redoxmaterial wird danach auf etwa 800 Grad Celsius abgekühlt und es wird Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) eingeleitet. Das Redoxmaterial entzieht beiden Stoffen Sauerstoff und kehrt in seine Ausgangsform zurück. Aus Wasserdampf und CO2 entsteht Syngas. Jedoch ist diese Methode aufgrund hoher Energieverluste sehr ineffizient. Über 50 Prozent der Verluste resultieren aus der verlorenen Wärmeenergie. Zusätzlich kann die Reaktion nicht kontinuierlich stattfinden, sondern nur tagsüber bei ausreichender Direktstrahlung. Daher ist diese Methode bislang nicht konkurrenzfähig.
Siegrists MBR2 zeichnet sich durch eine neue Prozessführung des Redoxkreisprozesses aus, die es erlaubt den Prozess dank Speichern rund um die Uhr zu betreiben und mit einem Wärmetauscher einen Großteil der Wärmeverluste zurück zu gewinnen. Statt wie bisher die Redoxreaktion in einem fixen Reaktor stattfinden zu lassen, setzt Siegrist auf bewegliche Metalloxidblöcke. Unmittelbar nach der Reduktion der Metallverbindung wird der Block aus dem Fokus bewegt und die Abwärme wird eingesetzt, um einen zweiten Block vorzuwärmen. Dadurch sinken die Energieverluste dramatisch. Der Solarforscher ist zuversichtlich: „Wärmetauscher sind eine bekannte Technologie und unserer funktioniert nach einem simplen Prinzip“. Die Idee kam Siegrist bei einem Vortrag von Kollegen über nacheinander bestrahlte Reaktoren. Er stellte sich die Frage, ob es effizienter sein könnte das Redoxmaterial durch den Fokus hindurch zu bewegen als aufwendig die Position des Fokus verändern. Das Prinzip der Speicherung wird schon bei Partikelreaktoren angewendet und MBR2 weitet es mit einem neuen Wärmetauscher auf Festkörper aus. Die Herausforderung ist nun Metalloxidverbindungen zu finden, die auch noch bei Temperaturen um 1500 Grad Celsius als Redoxmaterial einsetzbar sind und die Positionswechsel der Blöcke so verlustfrei wie möglich zu gestalten. Das Fördergeld aus dem Wettbewerb der Visionen für MBR2 fließt in eine Doktorandenstelle, um die Idee zu realisieren.
Der Anteil von Solarthermie und Photovoltaik an der Stromerzeugung steigt von Jahr zu Jahr. Die abgegebene Leistung unterliegt aber über den Tag hinweg deutlichen Schwankungen. Werfen Wolken ihre Schatten auf Solaranlagen, sinkt deren Leistung. Genaue Vorhersagen dieser Schwankungen können teure technische Maßnahmen wie das Einbinden von Speichern, das Vorhalten von Reservekraftwerken oder den Netzausbau teilweise ersetzen. Heute basieren Solarleistungsvorhersagen auf numerischen Wettermodellen, Wettersatelliten oder Wolkenkamera-Systemen. Wettersatelliten liefern solare Vorhersagen mit einer Auflösung im Kilometer-Bereich für die nächsten, wenigen Stunden.
Kuhn ist auf Wolkenkameras spezialisiert. Diese liefern genaue lokale Wolkendaten und werden schon heute in Solarkraftwerken eingesetzt. Wolkenkamera-Systeme liefern zeitlich und räumlich deutlich höher aufgelöste Vorhersagen als Satelliten – aber nur für die nächsten Minuten. Die Satelliten erfassen vereinfacht gesagt ein großes Gebiet, liefern aber weniger Details und die Wolkenkameras liefern die Details, bilden aber nur ein kleines Gebiet ab. Allerdings sind professionelle Wolkenkameras wartungsintensiv und es gibt vergleichsweise wenige von ihnen, was sie zu einem Engpass bei der Vorhersage von Solarenergie macht. Hier setzt Kuhns Vision an. Er plant die Satellitendaten mit Daten zu ergänzen, die von Netzwerken öffentlicher Kameras aufgenommen wurden. Im Wesentlichen sind das frei zugängliche Webcams und Netzwerke von Amateurmeteorologen, die ihre Bilder im Internet frei zur Verfügung stellen. Die Kombination der verschiedenen Datensätze verspricht eine kostengünstige Methode um die Genauigkeit der Wettervorhersage für Solarenergieanlagen verbessern zu können. Mit seiner Idee betritt Kuhn Neuland. Die Herausforderung ist groß: Ist es machbar, die Aufnahmen von Hunderttausenden Kameras auszuwerten und mit Satellitendaten zu verbinden? Doch Kuhn ist optimistisch: „Wir hoffen, durch diese Kombination die Vorteile von Wolkenkameras und Satelliten verbinden zu können und wichtige Impulse für weitere Entwicklungen zu geben.“
Siegrist und Kuhn sind zwei der fünf Gewinner aus insgesamt 54 Bewerbungen die für den Wettbewerb der Visionen 2017 eingingen. Davon durften am 27. November zehn Bewerberinnen und Bewerber, die durch eine Jury auf die Shortlist gesetzt wurden, ihre Visionen dem Gesamtvorstand des DLR präsentieren und sich mit ihrer Vision um die Fördersumme bewerben. Der Wettbewerb der Visionen im DLR hat zum Ziel, das wissenschaftlich kreative Potenzial der DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler sichtbar zu machen und Freiraum zu geben. Besonders die jüngeren Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im DLR sollen durch den 'Wettbewerb der Visionen' ermutigt werden.
Giuliano Roper