Clever gemacht: aus Sonnenlicht wird Treibstoff für unsere Autos und Flugzeuge

Nachhaltige Kraftstoffe aus Sonnenenergie zu gewinnen, ist ein ambitioniertes Vorhaben und stellt Mensch und Material vor große Herausforderungen. Im Projekt MAfoS entwickeln Forschende des Fraunhofer-Zentrums für Hochtemperatur-Leichtbau HTL Werkstoffe für die erste industrielle Solar-to-Fuel-Demonstrationsanlage.

Es klingt märchenhaft ist aber real: In einem hohen, Spiegel-besetzten Turm entstehen aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht nachhaltige Kraftstoffe.

Zu diesem Plan steuern Fraunhofer-Experten ihr Know-how in einem besonderen Projekt bei: »Material Advancements for Solar Fuels Technology«, kurz MAfoS heißt das Vorhaben, in dem ein Team kreativer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC zukunftsweisende Materialien für die erste industrielle Solar-to-Fuel-Demonstrationsanlage entwickelt.

Mit ihren Partnern arbeiten die Fachleute im Rahmen des europäischen Förderprogramms Eurostars 3 an einem ganzheitlichen Konzept zur CO2-Reduktion und Speicherung erneuerbarer Energien in künstlichen Treibstoffen.

Luftaufnahme des Solarturms und des Spiegelfeldes des DLR, Jülich. Das Spiegelfeld bündelt die Sonnenstrahlung auf den Solarturm und heizt den Solarreceiver auf. Foto: Synhelion

Ein Turm voller Energie

Tatsächlich existiert bereits eine Pilotanlage, die das Schweizer Start-up-Unternehmen Synhelion am Solarturm des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR in Jülich betreibt.

In dieser Solar-to-Fuel-Anlage werden aus Wasser und Kohlendioxid beziehungsweise Methan Treibstoffe hergestellt.

Im Fokus steht aktuell der Kraftstoff Kerosin.

Die Anlage umfasst eine große Fläche mit Spiegeln, die Sonnenlicht bündelt.

Dieses wird in einem Turm in Hitze umgewandelt, welche über ein Rohr in eine Reaktorkammer geleitet wird.

Dort reagieren die so erhitzten Ausgangsprodukte miteinander und bilden den gewünschten Treibstoff.

Um den Vorgang starten und den Turm für die Kraftstoffproduktion nutzen zu können, sind für die einzelnen Komponenten besondere Materialien erforderlich.

Bis 1.500 Grad

Eine Herausforderung stellen die hohen Temperaturen in Kombination mit Wasserdampf dar.

Am Sonnenstrahleneintrittsfenster sind sie mit bis zu 800 Grad Celsius noch vergleichsweise moderat. In den darauffolgenden Prozessschritten steigt die Temperatur auf bis zu 1500 Grad Celsius.

Für diese Bedingungen ist die Materialauswahl besonders anspruchsvoll, die konstruktiven Lösungen sind aufwändig.

Neue, extrem widerstandsfähige Hochleistungsbeschichtungen sollen diese in Zukunft erleichtern und mehr Möglichkeiten für die Konstrukteure schaffen.

Hochtemperaturwerkstoffe

An diesem Punkt setzt das Fraunhofer ISC Zentrum HTL mit seiner Material-Expertise für Leichtbau und Hochtemperaturwerkstoffe an.

Sie entwickeln anorganische keramische Materialien als Schutzschichten für verschiedene Anlagenkomponenten und zukünftige Anwendungen.

Die Materialien müssen zahlreichen Anforderungen gerecht werden.

Entscheidend ist, dass die Beschichtung am Eintrittsfenster anhaltend sonnenlichtdurchlässig und beständig gegen Wasserdampf ist.

Zudem muss sie an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasscheibe angepasst sein, damit sie bei Temperaturwechseln nicht abplatzt.

Mit den folgenden Prozessabschnitten und ihren stetig steigenden Temperaturen muss die Beschichtung hinsichtlich der Wärmeausdehnung stets an das jeweilige Träger-Substrat angepasst und dabei dicht sein.

Über diese Materialien hinaus entwickeln die Fraunhofer-Fachleute Trägerstrukturen aus Faserverbundkeramik für Rohrleitungen.

Faserverbundkeramik ist schadenstoleranter als monolithische Keramik, doch die am Markt verfügbaren Fasern tolerieren nur maximal 1200 Grad Celsius.

Das Ziel ist eine höhere Temperaturstabilität und die Anwendungstemperatur auf 1500 Grad Celsius zu erhöhen.

Erfolgreich in der Zusammenarbeit

Einen ersten wichtigen Meilenstein wurde bereits erreicht: die Beschichtung für das Sonnenstrahleneintrittsfenster.

MAfoS-Projektleiter Jonathan Maier:

»Der sehr geringe Wärmeausdehnungskoeffizient war die große Herausforderung. Doch es ist uns gelungen, ein geeignetes Material zu identifizieren. Durch unsere Tests konnten wir nachweisen, dass es nicht nur besonders hitze-, sondern auch wasserdampfstabil ist. Es schützt das darunterliegende Material und ist transparent genug, um dauerhaft genügend Sonnenlicht passieren zu lassen.«

Im nächsten Schritt wird das Eintrittsfenster in realer Bauteilgröße beschichtet, damit es bei Synhelion getestet werden kann.

Gemeinsam mit einem weiteren Projektpartner, der Firma CeraFib, spezialisiert auf hochtemperaturbeständige Werkstoffe und Bauteile in Verbundbauweise, wurden im Fraunhofer HTL zudem bereits erfolgreich Rohrleitungen aus Faserverbundkeramik gefertigt.

Arne Rüdinger, Leiter der Abteilung Keramikfasern am Fraunhofer HTL:

»Wir wollten schon immer mit unseren klassischen Themen –Hochtemperaturbeschichtungen und -werkstoffen wie keramischen Fasern, in das Feld Erneuerbare Energien, Energieeffizienz, Power-to-X und Power-to-Fuel vorstoßen. In diesem Projekt treten wir den Beweis an, dass wir kundenorientiert und nah am Markt mit unserem fachlichen Know-how gerade auch für kleine und mittelständische Unternehmen in diesem Bereich ein starker Kooperationspartner sind.«

Bereits 2024 soll Synhelions industrielle Solar-to-Fuel Demonstrationsanlage in Deutschland den Betrieb aufnehmen.

Spinnen von Oxidkeramik-Fasern im Technikumsmaßstab Foto: Frauenhofer HTL

Rohre aus dem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff O-CMC Foto: Frauenhofer HTL

Tipps zur Blog-Nutzung

Alles rund um Mobilität: Autos, Bikes, Räder, Auto-Reisen,
Nutzfahrzeuge, Insider-Tipps, Motorsport, Verkehrsrecht und vieles mehr

Zur Startseite dieses Blogs geht es hier:

   https://mobilitaet-heute.blogspot.com

Einfache Themensuche
1. oben im Blog mit der Lupe
(Suchwort eingeben, alles dazu wird gezeigt)
2. Kästen am Textende anklicken

Interessantes senden an:
achim.stahn@interpress-ipr.de

Dieses Blog durchsuchen