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Institut für Technische Thermodynamik, Solarforschung
WEGE ZUR NUTZUNG DER SONNENSTRAHLUNG IN DER CHEMISCHEN TECHNIK
8th Augustusburg Conference of Advanced Science Augustusburg, 11.-13. September 2003 Karl-Heinz Funken Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Institut für Technische Thermodynamik Solarforschung [email protected]
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Motivation für Forschung und Entwicklung zur Nutzung der Sonnenenergie in der chemischen Technik
1. Langfristige Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe 2. Globaler Klimaschutz 3. Nachhaltige Entwicklung 4. Technologieexport
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Strategische HGF-Priorität: Stromerzeugung
Erneuerbare Energien haben das Potenzial, Mitte des 21. Jahrhunderts mehr als 50 % des benötigten elektrischen Stroms bereitzustellen. Hierzu: Verwendung eines Mixes aller eneuerbarer Energien! Dünnfilmfotovoltaik (HMI, FZJ) Konzentrierende Solarsysteme (DLR) Geothermische Technologie (GFZ) Systemanalyse und Technologiebewertung (DLR)
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
1995 2000 2005 2010 2020 2030 2040 2050
Annu
al e
nerg
y co
nsum
ptio
n [T
Wh/
yr]
Photovoltaics
Solar thermal power
Geothermal energy
Biomass
Wind energy
Hydro power
Nuclear energy
Oil, natural gas
Coal
[Source: Nitsch, DLR]
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Internationale Zusammenarbeit: IEA SolarPACES
BRAZIL
MEXICO
USA
SOUTH AFRICA
RUSSIA
ISRAEL EGYPT
SPAIN SWITZERLAND GERMANY FRANCE
U.K. EUROPEAN COMMISSION
AUSTRALIA
AUSTRALIA BRAZIL EGYPT EUROPEAN FRANCE GERMANY ISRAEL MEXICO RUSSIA SOUTH SPAIN SWITZERLAND UNITED UNITED COMMISSION AFRICA KINGDOM STATES
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Prinzipielle Pfade zur Umwandlung von Sonnenstrahlung für Anwendungen in der Grundstoffindustrie
Sonnenstrahlung Prozesswärme Thermochemische Prozesse Elektrischer Strom Elektrochemische Processe Direkte Nutzung Photochemische Prozesse
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Ziele der solaren Prozesswärmeerzeugung
1. Hohe Temperaturen gefordert, ohne dass zugleich Leistung angefordert wird
2. Hohe Temperatuen und Leistung zugleich gefordert 2.1. Prozesstemperatur vorgegeben Wärmeleistung wird
durch die Wahl der Abschneidewellenlänge maximiert 2.2. Maximale thermodynamische Arbeitsfähigkeit W ist
gefordert zwei Einstellparameter T und λ zur Maximierung der Exergie der Wärmeleistung
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Potential der solaren Hochtemperaturreaktionstechnik •Strahlungsbeheizung der Reaktionspartner und Materialien •Hohe bis sehr hohe Wärmestromdichten (>> 1 MW/m2) •Hohe Temperaturen erreichbar (>> 1000 °C) •Uniforme Erhitzung großer Flächen unter oxidierenden Bedingungen •Transiente Betriebsbedingungen
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Strategic questions
Why chemical storage of solar energy? In the long term furture (> 15 years) alternative fuels are required for the transportation sector Hydrogen? Concentrating solar systems can achieve higher operation temperatures (> 1000 °C) than high temperature nuclear reactors (850 - 900 °C) Re-evaluation of thermochemical cycles for water splitting
Objectives: Investigation of options for
the manufacture of solar fuels, estimation of the cost potentials
Comparison with other options of renewable energies
Proof of feasibility of the new approaches in a miniplant to demonatration scale
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Solare Wasserstoffproduktion
Rohstoffe: * Wasser * Biomasse * Fossile Brennstoffe (Erdgas, Öl, Kohle) * Schwefelwasserstoff * Kohlenwasserstoff-haltige Abfallstoffe
Routen:
* Photochemisch / Photobiologisch
* Elektrochemisch
* Thermochemisch
Thermochemische Wasserstoffproduktion:
* Thermolysen
* Thermochemische Zyklen
* Reformierungen
* Vergasungen
* Pyrolysen, Crack-Prozesse
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Produktion Solarer Brennstoffe
Solar Thermochemische Wasserstoffproduktion Reforming von Kohlenwasserstoffen
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Industrial utilization of hydrogen
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Plataforma Solar de Almería: Zentralreceiversysteme
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DLR Solartestfeld in Köln-Porz – Geometrie Sonnenofen
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Sonnenofen: Heliostat, Konzentrator, Blende
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Miniplant Receiver-Reaktoren
Solar beheizter Aerosol-Reaktor Anw.: Spaltung von Schwefelsäure
Solar beheizter Drehrohr Reaktor Anw.: Recycling von Sekundäraluminium
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Schlüsselreaktionen des General Atomic Schwefel-Iod-Prozesses zur thermochemischen Wasserspaltung
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Hinweise: geänderte Kinetiken von Hochtemperatur-Hochflussdichtereaktionen Prüfen der technischen Nutzbarkeit
SO3 SO2 + ½ O2
Beispiel:
Thermische vs. Hochtemperatur – Hochflussdichte Dissoziation von Schwefeltrioxid
T
EA
kk Re−
∞ ⋅=
3
3
3 dd
SOSO
SO cktc
r ⋅=−=
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SOLARE REFORMING VON KOHLENWASSERSTOFFEN
1298242 206:3)(
−=∆+⇒⇐+ molkJHHCOCHgOH K1
298222 41:−−=∆+⇒⇐+ molkJHHCOOHCO K
Gleichgewichts-zusammensetzung ist Funktion: Dampf-/Methan-Verhältnis, Temperatur, Druck
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Integriertes Receiver–Reactor Konzept
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Integriertes Receiver–Reaktorkonzept: SOLASYS
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SOLARE REFORMING VON KOHLENWASSERSTOFFEN: SOLASYS
1298242 206:3)(
−=∆+⇒⇐+ molkJHHCOCHgOH K1
298222 41:−−=∆+⇒⇐+ molkJHHCOOHCO K
Demonstration beendet im Jahr 2002
Partner: DLR, WIS,ORMAT, SPE, ECN; co-finanziert EU Joule III
Schema;
Seitenansicht: Photo des Receivers auf dem Turm des WIS
400 kW
10 bar
T(outl.) 850 °C)
90 % Syngas
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SOLASYS Versuchsanlage im Betrieb auf dem Solarturm des WIS, Israel
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Separiertes Receiver–Reaktor Konzept
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Separiertes Receiver–Reactor Konzept (ASTERIX-Experiment)
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Konvektiv beheizter Reaktor (ASTERIX-Experiment)
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Typology of solar high temperature reactors
Convectively heated („conventional“) reactor combined with a solar heated fluid loop • Multiple heat exchange • Limitations due to heat transport and material‘s properties of absorber materials • Outer absorber wall temperature >> temperature of reactants • Pressurized reactors are state of the art
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Typology of solar high temperature reactors
Volumetric receiver-reactor: fixed in particular catalytically active absorber structures • Direct radiant heating of the volumetric absorber structure • Maximum temperature within the absorber – in particular on the catalyst‘s surface: kinetic and not heat transport limitations • High heat flux densities can be tolerated: compact reactors with small radiant heat losses • Pressure resistant windows are not state of the art
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Typology of solar high temperature reactors
Direct absorbing receiver-reactor: fluid absorbers, reactants, or catalysts • Direct radiant heating of the reactants • Maximum temperature at the reactant – in particular on the catalyst‘s surface: kinetic and not heat transport limitations • High heat flux densities can be tolerated: compact reactors with small radiant heat losses • „Cold“ reactor walls and hot reactants simultaneously • In some cases influence of the radiation on the kinetics • Pressure resistant windows are not state of the art
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Solare photochemische und photokatalytische Anwendungen
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Solar Photochemische Synthesen – ein historisches Beispiel: Photooxygenierung von α−Terpinen
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Solar photochemische Produktion von Rosenoxid im Hochflussdichte -Sonnenofen
OH
H
h*ν
O
H
H
O
H
H
+
Citronellol
cis-Rosenoxid
trans-Rosenoxid
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Konventionelle (Lampen – links) und solare (Parabolrinnen – rechts) photochemische Produktion von Rosenoxid
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Solare Photocycloaddition
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Weshalb Solare Photochemie? * direkte Nutzung der Sonnenstrahlung anstelle künstlicher Strahlung (elektrischer Strom) * geringerer Kühlaufwand, kein Lampenersatz
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Bewertung von Investitionen: Produktion von Rosenoxid
16
17
18
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000global insolation [kWh/m²]
net p
rese
nt v
alue
(10
a) [m
io €
]
solar
pessimistic
optimistic
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X
Köln
Barstow
AlmeríaX
lampKöln
Barstow
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Solar photochemische Herstellung von Caprolactam
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Bewertung von Investitionen: Caprolactamanlagen
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 1 2 3 4 5 6
year
net p
rese
nt v
alue
[mio
€]
classicsolarlamp
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Halbleiterphotokatalysatoren (TiO2)
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Foto-Fenton Reactionssequenz
Feaq3+ → *Feaq3+ → Fe2+ + •OH + H+
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •OH + OH-
Fe2+ + •OH → Fe3+ + OH-
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2• + H+
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Spektrale Solare Bestrahlungsstärke
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Compound Parabolic Collector CPC
Parabolrinnen reflektieren nur Direktstrahlung CPC‘s reflektieren direkte und diffuse Strahlung auf die Reaktionsrohre
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Solare Wasserbehandlung
Entwicklung und Test of spezieller Reaktoren und Komponenten
Doppelstegplattenreaktor Rohrreaktoren CPC-Reaktoren
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5 L UV Labor Versuchsaufbau
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50 L UV Labor Versuchsaufbau
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Abbau von Mineralölen in Textilabwässern
0 10 20 30 40 50 60
20
30
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60
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Photo-Fenton Catalysis Without Photocatalyst
TOC
[%]
t [min]
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Bypass Anlage
Skimmer
Dekanter
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Vision Integration of Solar Radiation in Integrated Water Treatment
of the Textile Industry
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Solare Chemie in der Aus- und Weiterbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses
Praktika, Studien- und Diplomarbeiten in der Solarforschung des DLR Sommerschulen Kostengünstige Demoversuche, z.B. School-Lab-Reaktor, „Sperrholzreaktor“
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Solare Wasserbehandlung – Demoversuch des DLR School-Lab
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Danke für Ihr Interesse! Die engagierten Arbeiten zahlreicher Kollegen und Mitarbeiter haben zu dieser Übersicht beigetragen. Die Arbeiten wurden gefördert durch Projekte: - der Arbeitsgemeinschft Solar des Landes NRW - des BMBF bzw. zuvor BMFT - der EU
WEGE ZUR NUTZUNG DER SONNENSTRAHLUNG IN DER CHEMISCHEN TECHNIKMotivation für Forschung und Entwicklung zur Nutzung der Sonnenenergie in der chemischen TechnikStrategische HGF-Priorität: StromerzeugungInternationale Zusammenarbeit: IEA SolarPACESPrinzipielle Pfade zur Umwandlung von Sonnenstrahlung für Anwendungen in der GrundstoffindustrieZiele der solaren ProzesswärmeerzeugungPotential der solaren HochtemperaturreaktionstechnikStrategic questionsSolare WasserstoffproduktionProduktion Solarer BrennstoffeIndustrial utilization of hydrogenPlataforma Solar de Almería: ZentralreceiversystemeDLR Solartestfeld in Köln-Porz – Geometrie SonnenofenSonnenofen: Heliostat, Konzentrator, BlendeMiniplant Receiver-ReaktorenSchlüsselreaktionen des General Atomic Schwefel-Iod-Prozesses zur thermochemischen WasserspaltungFoliennummer 17Foliennummer 18Integriertes Receiver–Reactor KonzeptIntegriertes Receiver–Reaktorkonzept: SOLASYSFoliennummer 21SOLASYS Versuchsanlage im Betrieb auf dem Solarturm des WIS, IsraelSepariertes Receiver–Reaktor KonzeptSepariertes Receiver–Reactor Konzept (ASTERIX-Experiment)Konvektiv beheizter Reaktor (ASTERIX-Experiment)Typology of solar high temperature reactorsTypology of solar high temperature reactorsTypology of solar high temperature reactorsSolare photochemische und photokatalytische AnwendungenSolar Photochemische Synthesen – ein historisches Beispiel: Photooxygenierung von a-TerpinenSolar photochemische Produktion von Rosenoxid im Hochflussdichte -SonnenofenKonventionelle (Lampen – links) und solare (Parabolrinnen – rechts) photochemische Produktion von RosenoxidSolare PhotocycloadditionWeshalb Solare Photochemie?�* direkte Nutzung der Sonnenstrahlung anstelle� künstlicher Strahlung (elektrischer Strom)�* geringerer Kühlaufwand, kein LampenersatzBewertung von Investitionen: Produktion von RosenoxidSolar photochemische Herstellung von CaprolactamBewertung von Investitionen: CaprolactamanlagenHalbleiterphotokatalysatoren (TiO2)Foto-Fenton ReactionssequenzSpektrale Solare BestrahlungsstärkeCompound Parabolic Collector CPCSolare Wasserbehandlung5 L UV Labor Versuchsaufbau50 L UV Labor VersuchsaufbauAbbau von Mineralölen in TextilabwässernBypass AnlageVisionSolare Chemie in der Aus- und Weiterbildung des wissenschaftlichen NachwuchsesSolare Wasserbehandlung – Demoversuch des DLR School-LabDanke für Ihr Interesse!��Die engagierten Arbeiten zahlreicher Kollegen und Mitarbeiter haben zu dieser Übersicht beigetragen.��Die Arbeiten wurden gefördert durch Projekte:�- der Arbeitsgemeinschft Solar des Landes NRW�- des BMBF bzw. zuvor BMFT�- der EU