SOLIFUEL – Solar Dish-Reactor Technology for the Production of Liquid Transportation Fuels from H2O and CO2

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501213

Key words (English)

Solar fuels, thermochemical cycle, parabolic dish concentrator, solar reactor, Sustainable Aviation Fuel SAF

Short description (German)

In diesem Projekt geht es um die Auslegung, die Herstellung und die experimentelle Demonstration des kompletten modularen Solar-Dish-Reaktorsystems für die Produktion von solaren flüssigen Kraftstoffen aus H2O und CO2. Das System besteht aus einem neuen Hoch-Fluss-Parabolspiegelkonzentrator, welcher mit ei-nem solar-thermochemischen Reaktor und der Gas-to-Liquid Anlage gekoppelt ist. Der Solarreaktor zur Her-stellung von Synthesegas mittels Cerdioxid-Zyklus besteht aus einer Kavität, welche mit einer Keramik-schaumstruktur (RPC) ausgekleidet ist. Die experimentelle Demonstration der kompletten Prozesskette hinzu flüssigen Kohlewasserstoff-Treibstoffen mit dem modularen System in einem vor-kommerziellen Mas-sstab unter realen, Nicht-Laborbedingungen wird die Reife der Technologie und die industrielle Implemen-tierung vorantreiben.

Short description (English)

This project is aimed at the design, fabrication, and experimental demonstration of the complete modular solar dish-reactor system for producing solar liquid fuels from H2O and CO2. The system encompasses a novel high-flux solar parabolic concentrator coupled to a solar thermochemical reactor and a gas-to-liquid pro-cessing unit. The solar reactor consists of cavity-receiver containing dual-scale reticulated porous ceramic (RPC) for producing syngas via ceria-based redox cycling. The experimental validation of the complete pro-cess chain to solar liquid hydrocarbon fuels at a pre-commercial scale, by moving from a laboratory setup to a modular solar system, will advance the technological readiness and its industrial implementation.

Publications / Results (English)

Schäppi R., Rutz D., Dähler F., Muroyama A., Haueter P., Lilliestam J., Patt A., Furler P., Steinfeld A., “Drop-in fuels from sunlight and air”, Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04174-y

Bulfin B., Miranda M., Steinfeld A., “Performance Indicators for Benchmarking Solar Thermochemical Fuel Processes and Reactors”, Frontiers in Energy Research, Vol. 9, Art. 677980, 2021.https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.677980

Madhusudhan J, Ritter C., Bulfin B., Steinfeld A., Erni R., Patzke G., “Reversible phase transformations in novel Ce-substituted perovskite oxide composites for solar thermochemical redox splitting of CO2”, Advanced Energy Materials, Vol. 11, 2003532, 2021. https://doi.org/10.1002/aenm.202003532

Dähler F., Wild M., Schäppi R., Haueter P., Cooper T., Good P., Larrea C., Schmitz M., Furler P., Steinfeld A., “Optical design and experimental characterization of a solar concentrating dish system for fuel production via thermochemical redox cycles”, Solar Energy, Vol. 170, pp. 568-575, 2018. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.085

Ackermann S., Steinfeld A., “Spectral hemispherical reflectivity of nonstoichiometric cerium dioxide”, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 159, pp. 167–171, 2017. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.08.036

Takacs M., Ackermann S., Bonk A., Neises-von Puttkamer M., Haueter P., Scheffe J.R.. Vogt U.F., Steinfeld A., “Splitting CO2 with a ceria-based redox cycle in a solar-driven thermogravimetric analyzer”, AIChE Journal, Vol. 63, pp. 1263-1271, 2017. https://doi.org/10.1002/aic.15501

Ash-Kurlander U., Martin O., Fontana L., Patil V., Bernegger M., Mondelli C., Pérez-Ramírez J., Steinfeld A., “Impact of Daily Startup-Shutdown Conditions on the Production of Solar Methanol over a Commercial Cu-ZnO-Al2O3 Catalyst”, Energy Technology, Vol. 4, pp. 565-572, 2016. http://dx.doi.org//10.1002/ente.201600022

Dähler F., Ambrosetti G., Montoya-Zegarra J., Schindler K., Steinfeld A., “High-concentration solar dishes based on pneumatic reflecting membranes”, Solar Energy, Vol. 124, pp. 89-100, 2016. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.11.021

Furler P., Steinfeld A., “Heat transfer and fluid flow analysis of a 4 kW solar thermochemical reactor for ceria redox cycling”, Chemical Engineering Science, Vol. 137, pp. 373-383, 2015. https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.05.056

Final report (German)

Die gesamte Prozesskette zur Herstellung von flüssigen Treibstoffen aus konzentriertem Sonnenlicht und Umgebungsluft wurde erstmals in einer solaren Mini-Raffinerie unter realen Bedingungen auf dem Dach des ETH-Maschinenlaboratoriums demonstriert. Mit konzentriertem Sonnenlicht spaltet ein Hochtemperatur-Solarreaktor direkt aus der Luft extrahiertes CO2 und H2O und produziert Syngas – ein spezifisches Gemisch aus H2 und CO – das anschliessend zu flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Methanol oder Kerosin verarbeitet wird. Der erfolgreiche Betrieb der solaren Demonstrationsanlage markiert einen wichtigen Meilenstein in der Herstellung von CO2-neutralen synthetischen Treibstoffen, die bei der Verbrennung nur so viel CO2 freisetzen wie vorher aus der Luft entnommen wurde. Diese Treibstoffe sind mit der weltweit bestehenden Infrastruktur für die Verteilung, Speicherung und Verwendung der Kraftstoffe kompatibel und können insbesondere zu einer nachhaltigen Luftfahrt beitragen.

Final report (English)

The entire thermochemical process chain to liquid hydrocarbon fuels from concentrated sunlight and ambient air was demonstrated for the first time in a solar mini-refinery system under real field conditions mounted on the roof of the ETH-Machine Laboratory. Using concentrated solar radiation, a high-temperature solar reactor splits CO2 and H2O extracted directly from air and produces syngas – a specific mixture of H2 and CO – which is finally processed into liquid hydrocarbons such as methanol or kerosene. The successful operation of the solar demonstration plant represents a crucial milestone towards the production of carbon-neutral synthetic fuels, which release only as much CO2 during combustion as was previously extracted from the air. These are compatible with the worldwide existing infrastructures for fuel distribution, storage and utilization, and can particularly contribute to sustainable aviation.

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• Final report [PDF] 3'905 kB