Eine neue Hoffnung für die Konzentration von Solarenergie

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Der Bereich der Solarkraftstoffe beginnt an Fahrt zu gewinnen, und das könnte eine gute Nachricht für Fans konzentrierender Solarenergie sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen sind konzentrierende Systeme weitläufige, teure und komplizierte Anlagen. Allerdings können sie ohne den Einsatz fossiler Energieträger hohe Wärmemengen zur Kraftstofferzeugung liefern, was dazu beitragen könnte, ihren Bekanntheitsgrad in den USA und anderswo zu steigern.

Solarbrennstoffe und die konzentrierende Solarstromverbindung

Solarkraftstoffe sind synthetische Kraftstoffe, die unter den gleichen allgemeinen Begriff fallen wie Elektrokraftstoffe oder E-Fuels, wie sie manchmal genannt werden. Der gemeinsame Nenner ist die Nutzung erneuerbarer Energien zur Herstellung von Wasserstoffgas, das dann mit abgeschiedenem Kohlenstoff kombiniert werden kann, um flüssige Kraftstoffe zu formulieren.

Der Unterschied besteht darin, dass E-Fuels Strom aus jeder erneuerbaren Ressource nutzen können, einschließlich Wind-, Meeres- und Geothermie sowie Solarenergie. Auch Kernkraftwerke werden als emissionsfreie Stromquelle für Wasserstoff in der E-Fuel-Lieferkette genannt.

Solarkraftstoffe beziehen sich insbesondere auf solarbetriebene Elektrolyse, photoelektrochemische Zellen mit „künstlichen Blättern“ und andere Systeme, die Solarenergie nutzen, einschließlich konzentrierender Solarstromsysteme.

Das National Renewable Energy Laboratory des Energieministeriums hat sich darauf konzentriert Konzentrationssysteme als Mittel zur Reduzierung der Kosten für Solarbrennstoffe. Ein Weg beinhaltet die Hochtemperaturelektrolyse, die zu einer verbesserten Energieeffizienz führen könnte. Auch für die thermochemische Wasserstofferzeugung kann hohe Wärme eingesetzt werden.

Senkung der Kosten für Solarbrennstoffe durch konzentrierende Solarenergie

CleanTechnica Bereits 2018 bekamen wir Wind von der konzentrierenden Solarstromverbindung, als wir auf ein Forschungsprojekt zu Solarkraftstoffen an der Washington State University in Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory und dem Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums aufmerksam wurden.

Seitdem sind Forscher im Bereich Solarkraftstoffe fleißig unterwegs. Ein aktuelles Beispiel stammt von einem Team von Ingenieuren am MIT, die einen effizienteren Ansatz dafür entwickelt haben solare thermochemische Wasserstoffproduktion.

Thermochemische Systeme basieren auf einer dampfbetriebenen, superschnellen Version des Rostprozesses, der auftritt, wenn Eisen auf Wasser trifft. Bei diesem Prozess wird Wasserstoff freigesetzt. Nach dem erneuten Erhitzen im Vakuum ist das Metall wiederhergestellt und kann den Oxidationsprozess wiederholen.

Wenn das ineffizient klingt, ist es das auch. „Nur etwa 7 Prozent des einfallenden Sonnenlichts werden zur Herstellung von Wasserstoff genutzt.“ MIT-Nachrichten Anfang dieses Monats berichtet. „Die bisherigen Ergebnisse waren geringe Erträge und hohe Kosten.“

Nun, das war damals. Das MIT-Team optimierte den Prozess, um bis zu 40 % der Sonnenenergie zu gewinnen. Zu den Innovationen gehört ein neues Design, das eine Reihe kastenförmiger Reaktoren im Kreis um den zentralen Turm eines konzentrierenden Solarkraftwerks schicken lässt.

Die Lösung für Kanäle und Poren

Ein anderer Ansatz für Verbesserung der thermochemischen Technologie stammt von einem Team von Ingenieuren der ETH Zürich in der Schweiz. Sie stellten sich der Herausforderung, die Wärmeübertragung vom konzentrierenden Solarstromsystem in das Innere des Reaktors zu maximieren.

Ihre Lösung nutzt ein konzentrierendes Solarstromsystem im Parabolrinnen-Stil, um einen Solarreaktor auf bis zu 1.500 Grad Celsius zu erhitzen. Der Reaktor enthält eine Struktur aus Ceroxid, einer Variante des Metalls Cer. Ceroxid ist für seine Verwendung in der Keramik- und Glasherstellung bekannt.

Die vom ETH-Team entworfene Ceroxidstruktur wird als poröse Keramikstruktur beschrieben, die dafür sorgen soll, dass die Wärme des konzentrierenden Solarstromsystems mit minimaler Störung in das Innere des Reaktors gelangt.

Das Team setzte einen extrusionsbasierten 3D-Drucker ein, um die Struktur mit Kanälen und Poren herzustellen, die an der Oberfläche breiter sind, um mehr Sonnenlicht einzufangen. Der Drucker verwendete außerdem eine einzigartige Tinte, die eine hohe Konzentration an Ceroxidpartikeln enthielt, um die Reaktion zu beschleunigen.

„Hierarchisch geordnete Designs mit Kanälen und Poren, die an der dem Sonnenlicht ausgesetzten Oberfläche offen sind und zur Rückseite des Reaktors hin schmaler werden, haben sich als besonders effizient erwiesen“, erklärt die ETH.

Der ETH-Reaktor kombiniert auch die Wasserspaltung mit eingefangenem Kohlendioxid, um eine fertig gemischte Kombination aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen, die dann weiteren Schritten unterzogen werden kann, um flüssigen Kerosin-Flugzeugtreibstoff herzustellen.

Eine neue Hoffnung für die Konzentration von Solarenergie

Das ETH-Team berichtet, dass sie eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz ihrer 3D-gedruckten Struktur nachgewiesen haben, da sie bei gleicher Hitzeeinwirkung die doppelte Menge Treibstoff im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen produzieren kann.

Die nächsten Schritte liegen bei der Firma Synhelion, die aus der ETH-Forschung hervorgegangen ist und die 3D-Drucktechnologie lizenziert hat. Synhelion hat bereits Pläne für einen Demonstrationsmaßstab vorgelegt Solare Kerosin-Flugzeugtreibstoffanlage in Deutschland integriert mit einem konzentrierenden Solarkraftwerk, und Swiss International Air Lines steht kurz davor, den Treibstoff in ihren Flugzeugen zu testen. Der Bau begann vor etwa 12 Monaten. Halten Sie also Ausschau nach einem Starttermin.

In der Zwischenzeit ein weiteres Spin-off, Klimawerkehat dafür die ETH-Technologie lizenziert Direktluft-Kohlenstoffabscheidungssystem (Schauen Sie sich hier unser Climeworks-Archiv an).

Konzentration von Solarenergie in den USA

Unterdessen erlebte die konzentrierende Solarenergie sozusagen ihren Höhepunkt, als die Obama-Regierung im Rahmen ihrer Bemühungen, die US-Solarindustrie anzukurbeln, fünf hochkarätige konzentrierende Systeme vorstellte.

Nach dem Amtsantritt des ehemaligen Präsidenten Trump im Jahr 2017 wurde es ruhiger, aber das Energieministerium förderte weiterhin konzentrierende Solarenergie als Alternative zu gasbetriebenen „Spitzenkraftwerken“.

Das Energieministerium finanzierte außerdem weiterhin die Forschung zu konzentrierenden Hochtemperatur-Solarsystemen und anderen Verbesserungen, einschließlich der Möglichkeit, die Effizienz zu steigern und Kosten durch den Einsatz von überkritischem Kohlendioxid zu senken.

Bei der neuesten Entwicklung hat das Energieministerium im vergangenen Februar den Grundstein für ein hochwärmekonzentrierendes Solarkraftwerk im Pilotmaßstab in New Mexico gelegt, um dies zu demonstrieren die Fähigkeit, ein Gigawatt eine Stunde lang zu speichern.

Die Anlage der nächsten Generation bildet den Abschluss eines 100-Millionen-Dollar-Forschungsprogramms CSP der 3. Generation (Gen3).das – Sie ahnen es schon – während der Trump-Administration im Jahr 2017 auf den Markt kam. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die bis zu 565 Grad Celsius erreichen, strebt Gen3 das Ziel von 720 Grad Celsius an.

Das Sandia National Laboratory leitet das Projekt, bei dem Keramikpartikel anstelle des in herkömmlichen Systemen verwendeten geschmolzenen Salzes eingesetzt werden. Die erhitzten Partikel können als Energiespeichermedium verwendet werden und eine Turbine mit überkritischem Kohlendioxid antreiben.

„Im Erfolgsfall könnte ein solches Solarkraftwerk kontinuierlich, rund um die Uhr und zu geringen Kosten 100 Megawatt Leistung liefern“, erklärt das Energieministerium.

Das Energieministerium geht davon aus, dass das Projekt das Ziel von 5 Cent pro Kilowattstunde für Strom plus Speicherung aus einem konzentrierenden Solarkraftwerk erreichen wird. Wir werden es früh genug wissen, da die Anlage voraussichtlich nächstes Jahr in Betrieb gehen wird.

Wo ist der Kongress?

Natürlich wäre keine Geschichte über die Konzentration von Solarenergie vollständig, ohne die Vorgänge im US-Repräsentantenhaus zu erwähnen, wo die republikanische Mehrheit schließlich Mike Johnson aus Louisiana für die überaus wichtige Position des Sprechers wählte.

Zufällig oder nicht, Repräsentant Johnson wird weithin dafür verantwortlich gemacht eine wichtige Rolle im Versuch des ehemaligen Präsidenten Trump, die Wahl 2020 zu kippen, ein Versuch, der seinen entscheidenden Moment im gewalttätigen Aufstand vom 6. Januar 2021 erreichte (Spoiler-Alarm: nicht).

Republikanische Mitglieder des Repräsentantenhauses und Senat haben am 6. Januar den Kampf verloren, den gewählten Präsidenten Joe Biden aus dem Amt zu halten, aber der Kampf um die Macht geht weiter Schraubenschlüssel werfen in die normalen Funktionen der Regierung integriert.

Wie das Sprichwort sagt: Es ist nicht vorbei, bis es vorbei ist …

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung der ETH Zürich über Advanced Materials Interfaces, Band 10, Nr. 30, 2023. https://doi.org/10.1002/admi.202300452). „Das Kunstwerk veranschaulicht eine 3D-​gedruckte Ceroxidstruktur mit hierarchisch kanalisierter Architektur. Konzentrierte Sonnenstrahlung fällt auf die abgestufte Struktur und treibt die Sonnenspaltung an von CO₂ in getrennte Ströme von CO und O₂.“