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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)

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1995 2000 2005 2010 2020 2030 2040 2050

Annu

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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

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SOUTH AFRICA

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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−

∞ ⋅=

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3

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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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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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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

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H

h*ν

O

H

H

O

H

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+

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

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0 500 1000 1500 2000 2500 3000global insolation [kWh/m²]

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X

Köln

Barstow

AlmeríaX

lampKöln

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Solar photochemische Herstellung von Caprolactam

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Bewertung von Investitionen: Caprolactamanlagen

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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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Abbau von Mineralölen in Textilabwässern

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Photo-Fenton Catalysis Without Photocatalyst

TOC

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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

wege zur nutzung der sonnenstrahlung in der chemischen technik · 2015. 12. 3. · khf augustusburg...

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