Kiedy światło słoneczne staje się paliwem
SynhelionProdukcja zrównoważonych paliw z energii słonecznej jest ambitnym projektem i stanowi poważne wyzwanie. W ramach projektu MAfoS naukowcy z Fraunhofer Center for High Temperature Materials and Design HTL opracowują materiały dla pierwszej przemysłowej instalacji demonstracyjnej wykorzystującej energię słoneczną do produkcji paliwa.
Brzmi to prawie jak bajka: Zrównoważone paliwa powstają z wody, CO2 i światła słonecznego w wysokiej, lustrzanej wieży. Eksperci Fraunhofer wnoszą swój know-how do tego planu w ramach specjalnego projektu:
"Material Advancements for Solar Fuels Technology", w skrócie MAfoS, to nazwa projektu, w ramach którego zespół naukowców z Centrum Materiałów Wysokotemperaturowych i Projektowania HTL Instytutu Badań nad Krzemianami Fraunhofera ISC opracowuje zaawansowane materiały dla pierwszej przemysłowej instalacji demonstracyjnej wykorzystującej energię słoneczną do produkcji paliw. Wraz ze swoimi partnerami eksperci pracują nad całościową koncepcją redukcji CO2 i magazynowania energii odnawialnej w sztucznych paliwach w ramach europejskiego programu finansowania Eurostars 3.
Wieża pełna energii
W rzeczywistości instalacja pilotażowa już istnieje. Jest ona obsługiwana przez partnera projektu Synhelion, szwajcarską firmę typu start-up, w wieży słonecznej Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) w Jülich w Niemczech. W tej instalacji solar-to-fuel paliwa są wytwarzane z wody i dwutlenku węgla lub metanu. Eksperci koncentrują się obecnie na nafcie. Instalacja obejmuje duży obszar z lustrami, które skupiają światło słoneczne. W wieży światło słoneczne jest przekształcane w ciepło, które jest przesyłane rurą do komory reaktora. Tam podgrzane produkty wyjściowe reagują ze sobą i tworzą pożądane paliwo.
Aby uruchomić proces i wykorzystać wieżę do produkcji paliwa, wymagane są specjalne materiały dla poszczególnych komponentów. Wysokie temperatury w połączeniu z parą wodną stanowią wyzwanie: W oknie wejścia światła słonecznego temperatury są nadal stosunkowo umiarkowane i wynoszą do 800°C. Na kolejnych etapach procesu temperatura wzrasta do 1500°C . Wybór materiału dla takich warunków jest szczególnie wymagający, a rozwiązania projektowe są skomplikowane. Nowe, niezwykle odporne powłoki o wysokiej wydajności powinny ułatwić to zadanie w przyszłości i zapewnić projektantom więcej opcji.
Wiedza na temat materiałów wysokotemperaturowych
W tym miejscu Fraunhofer HTL wkracza ze swoją wiedzą w zakresie lekkich konstrukcji i materiałów wysokotemperaturowych. Opracowuje nieorganiczne materiały ceramiczne jako powłoki ochronne dla różnych komponentów instalacji i przyszłych zastosowań. Materiały te muszą spełniać liczne wymagania: na przykład, kluczowe jest, aby powłoka na oknie wejściowym była stale przepuszczalna dla światła słonecznego i odporna na parę wodną. Ponadto powłoka musi być dostosowana do współczynnika rozszerzalności cieplnej szyby, aby nie łuszczyła się podczas zmian temperatury. Wraz z kolejnymi etapami procesu i ich stale rosnącymi temperaturami, powłoka musi być zawsze dostosowana do odpowiedniego podłoża nośnego pod względem rozszerzalności cieplnej i jednocześnie być szczelna.
Oprócz tych materiałów, eksperci Fraunhofer opracowują również struktury nośne wykonane z ceramiki wzmocnionej włóknami dla rur. Ceramika wzmocniona włóknami jest bardziej odporna na uszkodzenia niż ceramika monolityczna, ale włókna dostępne na rynku tolerują tylko maksymalnie 1200°C. Naukowcy z Fraunhofer HTL postawili sobie za cel osiągnięcie wyższej stabilności temperaturowej i zwiększenie temperatury stosowania włókien wzmacniających do 1500°C.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Sukces we współpracy
Naukowcy osiągnęli już pierwszy ważny kamień milowy: powłokę dla okna wlotowego światła słonecznego.
– Największym wyzwaniem był tutaj bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Udało nam się jednak zidentyfikować odpowiedni materiał. Nasze testy wykazały, że jest on nie tylko szczególnie odporny na ciepło, ale także na parę wodną. Chroni materiał bazowy i jest wystarczająco przezroczysty, aby stale przepuszczać wystarczającą ilość światła słonecznego – mówi z satysfakcją kierownik projektu MAfoS Jonathan Maier.
W następnym kroku naukowcy chcą pokryć okno wejściowe w rzeczywistym rozmiarze komponentu, aby można je było przetestować w Synhelion. Wraz z CeraFib, partnerem projektu specjalizującym się w materiałach i komponentach kompozytowych odpornych na wysokie temperatury, eksperci z Fraunhofer HTL z powodzeniem wyprodukowali również rury wykonane z ceramiki wzmocnionej włóknami.
Eksperci z Fraunhofer HTL są nie tylko entuzjastycznie nastawieni do całego projektu, ale także do wkładu, jaki mogą wnieść poprzez swój udział:
– Zawsze chcieliśmy wejść w obszar energii odnawialnej, efektywności energetycznej, power-to-X i power-to-fuel z naszymi klasycznymi tematami Fraunhofer HTL, tj. powłokami i materiałami wysokotemperaturowymi, a także włóknami ceramicznymi. W tym projekcie udowadniamy, że jesteśmy silnym partnerem do współpracy w tym obszarze, nawet dla małych i średnich przedsiębiorstw, ponieważ jesteśmy zorientowani na klienta i blisko rynku dzięki naszemu technicznemu know-how – cieszy się Arne Rüdinger, szef działu włókien ceramicznych w Fraunhofer HTL.
– Wspaniałe jest również to, że nasze badania są w stanie wnieść tak ważny wkład w redukcję emisji CO2, a tym samym w zrównoważoną transformację naszego społeczeństwa – dodaje Jonathan Maier.
Źródło: Fraunhofer HTL
