Schlüsselwörter
(Englisch)
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Solar Energy, Solar Receiver, Solar fuels, Volumetric receiver, CSP, CFD, Sustainable Aviation Fuel SAF
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Dieses Projekt zielt auf die Modellierung, den Entwurf, die Herstellung und die experimentelle Demonstration einer der Kernkomponenten einer Anlage für solare Brennstoffe ab. Dabei handelt es sich um einen 200-kW-Hochtemperatur-Solarreceiver, der Prozesswärme bei Temperaturen von mehr als 1000 °C für die thermochemische Umwandlung von H2O/CO2/CH4 in Synthesegas, dem Vorprodukt von flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen, liefert. Die experimentelle Validierung des Receivers im vor kommerziellen Massstab wird die technologische Reife und die industrielle Umsetzung vorantreiben. Dieses Projekt ist eng mit dem BFE-Projekt HYBREC - "Reaktorsystem für die Herstellung von solaren Brennstoffen aus H2O, CO2 und CH4" verbunden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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This project is aimed at the modelling, design, fabrication, and experimental demonstration of one of the core components of a solar fuels plant. Namely, a 200 kW high-temperature solar receiver for delivering process heat at temperatures > 1000°C for the thermochemical conversion of H2O/CO2/CH4 into syngas, the precursor to liquid hydrocarbon fuels. The experimental validation of the receiver at pre-commercial scale will advance the technological readiness level and its industrial implementation. This project is closely linked to the BFE project HYBREC - “Reactor system for the production of solar fuels from H2O, CO2, and CH4“.
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Kurzbeschreibung
(Italienisch)
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Questo progetto è finalizzato alla modellazione, progettazione, fabbricazione e dimostrazione sperimentale di uno dei componenti principali di un impianto di energia solare: un ricevitore solare ad alta temperatura da 200 kW adatto a fornire calore di processo a temperature > 1000 °C per la conversione termochimica di H2O / CO2 / CH4 in syngas, il precursore dei combustibili sintetici liquidi. La validazione sperimentale del ricevitore a scala pre-commerciale farà avanzare il suo livello di “technology readiness” TRL e avvicinerà la sua implementazione industriale. Questo progetto è intimamente collegato con il progetto BFE HYBREC intitolato “Reattore per la produzione di combustibili sintetici solari da H2O, CO2, e CH4“.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Simone A. Zavattoni, Davide Montorfano, Philipp Good, Gianluca Ambrosetti, and Maurizio C. Barbato , "The synhelion absorbing gas solar receiver for 1'500 °C process heat: CFD modeling", AIP Conference Proceedings 2303, 030037 (2020) https://doi.org/10.1063/5.0029314
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Umweltfreundliches Benzin, Diesel und Kerosin sind Schlüssel für eine klimaneutrale Mobilität. Synhelion nutzt Solarthermie zur Umwandlung von CO2 und Wasser in synthetische Treibstoffe – sogenannte solare Treibstoffe. Die Sonnenstrahlung wird vom Solarfeld mit einer Vielzahl von Spiegeln reflektiert, auf den Receiver konzentriert und in Hochtemperatur-Prozesswärme umgewandelt. In kommerziellen Solarturm-Kraftwerken werden meist Röhren-Receiver zur direkten Wasserdampferzeugung bzw. mit geschmolzenen Salzen als Wärmeträgermedium verwendet, wobei Temperaturen bis zu 600°C erreicht werden. Demgegenüber werden für die Umwandlung von CO2 und Wasser in Synthesegas 1‘000°C und mehr benötigt. Dazu hat Synhelion eine neuartige Receiver-Technologie entwickelt, die sich die Eigenschaften von Treibhausgasen wie Wasserdampf und CO2 zu Nutze macht und diese als Wärmeträgermedium einsetzt. Der Receiver-Aufbau besteht lediglich aus einem Hohlraum mit schwarzen, wärmeisolierten Wänden und einem Fenster für den Eintritt des konzentrierten Sonnenlichts. Das Funktionsprinzip beruht auf dem Treibhausgaseffekt: Konzentrierte Solarstrahlung tritt durch das Fenster in den Hohlraum ein, durchdringt das im Solarspektrum transparente Wärmeträgermedium und wird von den schwarzen Wänden absorbiert. Hierdurch werden die Wände aufgeheizt und strahlen ihrerseits zurück in den Hohlraum. Allerdings emittieren sie Strahlung mit größeren Wellenlängen (Infrarotstrahlung). Diese Infrarotstrahlung wird vom Wärmeträgermedium größtenteils absorbiert, während es von der Eintrittsöffnung unmittelbar hinter dem Fenster durch den Hohlraum nach hinten fließt und sich so auf die gewünschte Austrittstemperatur aufwärmt. Die Ausnutzung des Treibhausgaseffekts ermöglicht eine Minimierung der Wärmeverluste durch Rückstrahlung, wodurch konzentrierte Sonnenstrahlung von Solartrum-Anlagen mit hohen Wirkungsgraden in Prozesswärme bei Temperaturen bis zu 1’500°C umgewandelt werden kann. Im Rahmen des FUELREC-Projektes wurde ein 250 kW Receiver-Prototyp gebaut und im Synlight – dem weltgrössten Solarsimulator am DLR in Jülich, Deutschland – erfolgreich getestet. Es wurden Austrittstemperaturen bis 1550°C erreicht, 350°C mehr als mit jedem anderen jemals gebauten Receiver. Die Receiver-Technologie ermöglicht die Nutzung von solarer Wärme in thermochemischen Prozessen zur Erzeugung solarer Kraftstoffe (auch Wasserstoff) zum Beispiel durch die Reformierung von Erdgas oder Biogas bis hin zur thermochemischen Wasser- und CO2-Spaltung mittels zweistufiger Redox-Prozesse. Die solare Wärme kann auch zur Dekarbonisierung energieintensiver Hochtemperatur-Prozesse beispielsweise in der Stahlindustrie oder Zementherstellung verwendet werden. Darüber hinaus lässt sich der Receiver in solarthermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung einsetzen, was hohe Wirkungsgrade deutlich über dem Stand der Technik ermöglicht.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Environmentally friendly petrol, diesel and paraffin is the key to climate-neutral mobility. Synhelion uses solar thermal energy to convert CO2 and water into synthetic fuels - so-called solar fuels. Solar radiation is reflected by the solar field with a multitude of mirrors, concentrated on the receiver and converted into high-temperature process heat. In commercial solar tower power plants, tubular receivers are usually used for direct water vapour generation or with molten salts as the heat transfer medium, reaching temperatures of up to 600°C. In contrast, the conversion of CO2 and water into synthesis gas requires 1,000°C and more. For this purpose, Synhelion has developed a novel receiver technology that takes advantage of the properties of greenhouse gases such as water vapour and CO2 and uses them as a heat transfer medium. The receiver structure consists only of a cavity with black, thermally insulated walls and a window for the concentrated sunlight to enter. The operating principle is based on the greenhouse gas effect: concentrated solar radiation enters the cavity through the window, penetrates the heat transfer medium, which is transparent in the solar spectrum, and is absorbed by the black walls. This heats up the walls and they in turn radiate back into the cavity. However, they emit radiation with longer wavelengths (infrared radiation). This infrared radiation is largely absorbed by the heat transfer medium as it flows backwards through the cavity from the inlet opening immediately behind the window, thus heating up to the desired outlet temperature. Exploiting the greenhouse gas effect enables heat losses due to back radiation to be minimised, allowing concentrated solar radiation from solar trunk systems to be converted into process heat at temperatures of up to 1,500°C with high efficiencies. As part of the FUELREC project, a 250 kW receiver prototype was built and successfully tested in Synlight - the world's largest solar simulator at DLR in Jülich, Germany. Exit temperatures of up to 1550°C were achieved, 350°C more than with any other receiver ever built. The receiver technology enables the use of solar heat in thermochemical processes for the production of solar fuels (including hydrogen), for example by reforming natural gas or biogas, up to thermochemical water and CO2 splitting by means of two-stage redox processes. The solar heat can also be used to decarbonise energy-intensive high-temperature processes, for example in the steel industry or cement production. In addition, the receiver can be used in solar thermal power plants to generate electricity, which enables high efficiencies well above the state of the art.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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L'essence, le diesel et le kérosène écologique sont la clé d'une mobilité climatiquement neutre.Synhelion utilise l'énergie solaire thermique pour convertir du CO2 et de l'eau en combustibles synthétiques – les combustibles dits «solaires». Le rayonnement solaire est réfléchi par un grand nombre demiroirs, concentré sur le récepteur et converti en chaleur de processus à haute température. Dans lescentrales solaires à tour commerciales, on utilise des récepteurs tubulaires qui emploient de la vapeurou des sels fondus comme fluide caloporteur pour atteindre des températures allant jusqu'à 600°C. Enrevanche, des températures à partir de 1000°C sont nécessaires pour la conversion du CO2 et de l'eauen gaz de synthèse. À cette fin, Synhelion a développé un récepteur solaire novateur qui exploite lespropriétés des gaz à effet de serre, tels que la vapeur d'eau ou le CO2, et les utilise comme fluidecaloporteur. Le récepteur est composé d'une cavité avec des parois noires thermiquement isolées etd'une fenêtre qui permet à la lumière solaire concentrée d’entrer. Le principe de fonctionnement estbasé sur l'effet de serre: le rayonnement solaire concentré entre dans la cavité par la fenêtre et passepar la cavité sans être absorbé car les gaz à effet de serre sont transparents dans le spectre solaire.Finalement, le rayonnement solaire est absorbé par les parois noires. Cela réchauffe les parois, qui àleur tour émettent des rayonnements de plus grande longueur d'onde (rayonnement infrarouge) vers lacavité. Le fluide caloporteur circule à travers la cavité depuis l'ouverture d'entrée située derrière la fenêtre et absorbe le rayonnement infrarouge issu des parois pour se réchauffer jusqu'à la températurede sortie souhaitée. Grâce à l'exploitation de l'effet de serre, les pertes de chaleur sont minimisées, cequi permet de convertir le rayonnement solaire concentré en chaleur industrielle à des températuresallant jusqu’à 1500°C avec un rendement élevé. Dans le cadre du projet FUELREC, un prototype derécepteur de 250 kW a été construit et testé avec succès au Synlight – le plus grand simulateur solairedu monde – au DLR à Jülich, Allemagne. Des températures de sortie allant jusqu'à 1550°C ont étéatteintes, soit 350°C de plus qu'avec tout autre récepteur jamais construit. La technologie innovante derécepteur permet d'utiliser la chaleur solaire pour produire des combustibles solaires (également l'hydrogène) par le bias de processus thermochimiques, tels que le reformage de gaz naturel ou de biogaz,ou bien la séparation thermochimique d'eau et de CO2 par une réaction d’oxydoréduction en deuxétapes. La chaleur solaire peut également être utilisée pour décarboner des processus à haute température gourmands en énergie, par exemple dans l'industrie sidérurgique ou la production de ciment. Enoutre, le récepteur peut être utilisé dans les centrales thermiques solaires pour produire de l'électricité,ce qui permet d'obtenir des rendements élevés bien supérieurs à l'état de la technique.
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Schlussbericht
(Italienisch)
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La benzina, il diesel e il cherosene ecologici sono la chiave per il futuro di una mobilità neutrale per ilclima. Synhelion utilizza l'energia solare per convertire CO2 e acqua in combustibili sintetici - i cosiddetticombustibili solari o “solar fuels”. Il concetto studiato da Synhelion si basa sulla concentrazione dellaradiazione solare. Infatti, quest’ultima viene riflessa da un campo solare formato da un gran numero dispecchi, concentrata in un ricevitore e convertita in calore di processo ad alta temperatura. Nelle centralisolari a torre commerciali, vengono utilizzati soprattutto ricevitori tubolari per la generazione diretta divapore acqueo o che adottano dei sali fusi come fluido per il trasporto del calore. Questi sistemi raggiungono temperature del fluido non più alte di 600°C. Tecnicamente però, per la conversione di CO2e acqua in gas di sintesi, precursore dei combustibili sintetici, sono necessarie temperature superiori a1.000°C. A questo scopo, Synhelion ha sviluppato una nuova tecnologia di ricevitore solare che utilizzale proprietà dei gas ad effetto serra come il vapore acqueo e la CO2. La struttura del ricevitore consistein una semplice cavità con pareti nere, termicamente isolate verso l’esterno, e una finestra trasparentealla luce solare concentrata. Il principio di funzionamento si basa proprio sull'effetto serra: la radiazionesolare concentrata entra nella cavità attraverso la finestra, penetra attraverso il fluido, che è trasparentenello spettro solare, e viene assorbita sulle pareti nere. Le pareti si riscaldano e, a loro volta, irradianodi nuovo nella cavità. Queste onde elettromagnetiche vengono però riemesse con lunghezze d'onda più lunghe (radiazioni infrarosse) rispetto a quelle caratteristiche dello spettro solare. Questa radiazioneinfrarossa è in gran parte assorbita dal fluido che scorre nella cavità del ricevitore muovendosi dai gettidi ingresso, posti immediatamente dietro la finestra, verso l’uscita posta sul fondo del ricevitore. Inquesto percorso, il fluido si scalda fino alla temperatura di uscita desiderata. Lo sfruttamento dell'effettoserra permette di minimizzare le perdite di calore dovute alla “back radiation”, cioè alla fuga di energiaradiante attraverso la finestra, consentendo di convertire con elevata efficienza la radiazione solareconcentrata in calore di processo con temperature fino a 1.500°C. All’interno del progetto FUELREC èstato costruito un prototipo di ricevitore da 250 kW che è stato testato con successo presso il Synlight,il più grande simulatore solare del mondo che si trova presso il DLR di Jülich, in Germania. In questiesperimenti, per il fluido in uscita dal ricevitore sono state raggiunte temperature fino a 1550°C, ben350°C in più rispetto a quanto ottenuto con qualsiasi altro ricevitore mai costruito. La tecnologia delricevitore Synhelion permette l'uso del calore solare in processi termochimici per la produzione di combustibili solari (anche idrogeno), per esempio il reforming del gas naturale o del biogas, fino alla scissione termochimica dell'acqua e della CO2 per mezzo di processi redox a due fasi. Il calore solare delricevitore Synhelion può anche essere usato per abbattere le emissioni di CO2 in processi ad alta temperatura ed alta intensità energetica, come per esempio quelli che si incontrano nell'industria dell'acciaioo nella produzione del cemento. Inoltre, il ricevitore può essere utilizzato in centrali solari termiche pergenerare elettricità, consentendo valori di efficienza ben al di sopra di quanto oggi offra lo stato dell'arte.
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