FUELREC II – Solar Receiver for the production of solar fuels from H2O, CO2, and CH4

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502256

Schlüsselwörter (Englisch)

Solar receiver, high-temperature, thermal radiation heat transfer, participating media, computational fluid dynamics, solar fuels, Sustainable Aviation Fuel SAF

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Schweizer Unternehmen Synhelion SA entwickelt derzeit einen innovativen Solarreceiver, der bei ultrahohen Temperaturen (1'000 °C-1'500 °C) arbeiten kann und für den Antrieb von Prozessen mit hohem Energiebedarf geeignet ist, wie z.B. thermochemische (z.B. Reformierung, Vergasung, thermochemische Zyklen) oder industrielle Prozesswärme (z.B. Zement-Pyroprozess). Im Gegensatz zu herkömmlichen kommerziellen Receivern, deren Betriebstemperatur derzeit unter 600 °C liegt, basiert das Funktionsprinzip der vorgeschlagenen Lösung, ähnlich wie beim Treibhauseffekt, auf der direkten Absorption von Wärmestrahlung durch ein gasförmiges Wärmeträgerfluid (HTF), nämlich Wasserdampf oder Kohlendioxid. Nach einer umfangreichen theoretischen Voruntersuchung wurde ein kleiner Receiver-Prototyp (200 kWth) gebaut und erfolgreich in der DLR-Synlight-Anlage (DE), dem weltweit größten Solarsimulator, getestet. Dabei zeigte sich nicht nur die Machbarkeit dieses innovativen Receiverkonzepts, sondern auch ein wesentlich höherer Energieumwandlungswirkungsgrad und eine höhere HTF-Austrittstemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Solarreceivern. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Entwicklung des Receivers weiter voranzutreiben und dabei von den Erkenntnissen zu profitieren, die im Rahmen der beiden vorangegangenen vom BFE finanzierten Projekte (ReceiverSIM SI/501618-01 und FUELREC SI/501796-01) gewonnen wurden, insbesondere im Hinblick auf experimentelle Tests und Informationen, die durch das eigens entwickelte numerische Modell unter Verwendung eines CFD-Ansatzes (Computational Fluid Dynamics) gewonnen werden können, um den Entwurf eines vorkommerziellen 1-MW-Receiver-Prototyps zu erreichen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The Swiss company Synhelion SA is currently developing an innovative solar receiver, capable ofoperating at ultra-high temperature levels (1’000°C – 1’500°C), suitable to drive high energy demandprocesses such as thermochemical (e.g. reforming, gasification, thermochemical cycles) or industrialprocess heat (e.g., cement pyroprocessing). As opposed to conventional commercial receivers, whoseoperating temperature is currently lower than 600°C, the working principle of the proposed solution,similar to greenhouse effect, is based on the direct absorption of thermal radiation by a gaseous heattransfer fluid (HTF) namely water vapour or carbon dioxide.After an extensive preliminary theoretical analysis, a small-scale receiver prototype (200 kWth) wasconstructed and successfully tested at the DLR Synlight facility (DE), the world’s largest solar simulator,showing, not only the feasibility of this innovative receiver concept, but also a substantially higherenergy conversion efficiency and HTF outflow temperature with respect to state of the art solar receivers.This project aims at further advancing with the receiver development, taking advantage from theknowledge acquired during the two previous BFE-funded projects (ReceiverSIM SI/501618-01 and FUELREC SI/501796-01) especially in terms of both experimental tests and information that can beobtained through the purpose-developed numerical model exploiting a computational fluid dynamics(CFD) approach, to arrive at the design of a 1 MW pre-commercial scale receiver prototype.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Nutzung alternativer Kraftstoffe wurde als wichtiger Hebel zur Reduzierung des CO2-Fussabdrucks insbesondere im Luft- und Seefernverkehr identifiziert. Ein technologischer Weg zu ihrer Herstellung führt über die Umwandlung von Biomasse (d. h. landwirtschaftliche Rückstände, Abfälle oder Gülle). Zu diesem Zweck wird die Biomasse fermentiert und das Biogas durch konzentrierte Sonnenenergie zu Synthesegas veredelt. Um die erforderlichen Temperaturen zu erreichen, wird das Sonnenlicht durch ein Feld von Spiegeln gebündelt und auf die Spitze eines Turms fokussiert, wo ein Receiver die Strahlung in Hochtemperaturwärme umwandelt.

Die Entwicklung effizienter Solar-Receiver ist ein Eckpfeiler der Technologie und wurde durch ein aktuelles Design von Synhelion vorangetrieben, das den Treibhauseffekt nutzt, um hohe Temperaturen bei vergleichsweise geringen Konzentrationen der Sonnenstrahlung zu erreichen.

Das FUELRECII-Projekt untersucht die Konstruktion und Erprobung von zwei verschiedenen Solarreceivern und trägt so dazu bei, die Technologie zu verbessern und ihre Umsetzung in einem zukünftigen Anlagenentwurf vorzubereiten.

Die Aktivitäten des FUELRECII-Projekts konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Bereiche:

• Entwurf und Konstruktion des ersten vorkommerziellen 0,6-MW-Receivers (SM3)
• Bau und Erprobung des 250-kW-SM1D-Receiverprototyps auf der Sonne

Was den ersten Punkt betrifft, so wurde der erste vorkommerzielle 0,6-MW-Receiver (SM3) entworfen und durch eine Reihe von CFD-Simulationskampagnen sorgfältig analysiert, mit dem zweifachen Ziel: (i) ein tiefes Verständnis der physikalischen Phänomene, die im Hohlraum stattfinden, sowie ihrer gegenseitigen Wechselwirkung zu erlangen und (ii) sein Design zu optimieren, um die Menge der von der Wärmeträgerflüssigkeit gesammelten Sonnenenergie zu maximieren. Der Receiver befindet sich derzeit im letzten Teil der Konstruktionsphase. Der feuerfest ausgekleidete Hohlraum von SM3 wurde im Durchmesser im Vergleich zu SM1D um den Faktor zwei vergrössert, was eine Vervierfachung der Leistung (1 MW) ermöglichen würde, wie ursprünglich angestrebt. Aufgrund der begrenzten Landfläche, die für die industrielle Demonstrationsanlage zur Verfügung stand, musste die Grösse des Solarfelds jedoch reduziert werden, und die Aperturfläche des Receivers wurde für 0,6 m² oder 600 kW konzentrierte Solareingangsleistung ausgelegt. Dennoch wurde für SM3 eine segmentierte Fensteröffnung gewählt, die auf einer Abfolge von Viertelquarzröhren basiert, im Vergleich zum flachen Quarzfenster von SM1D. Obwohl das segmentierte Fenster nicht mehr vollständig luftdicht ist, konnte durch spezifische CFD-Simulationen die effektive atmosphärische Abdichtung durch die vorgeschlagene Lösung beobachtet werden. Die Herstellbarkeit und das Zuschneiden der Viertelquarzröhren wurden durch spezifische Tests bestätigt, die von den Lieferanten durchgeführt wurden. Beide Konzepte, die leichte Wärmedämmung des Hohlraums auf der Basis von Fasermodulen sowie die segmentierte Fensteröffnung, sind auf einen kommerziellen Multi-Megawatt-Massstab skalierbar. Eine innovative Lösung zur Isolierung des Receivers wurde ebenfalls vorgeschlagen und durch einen CFD-basierten Ansatz bewertet. Diese aktive Wärmedämmlösung besteht aus einem Bündel gerader Rohre, die parallel zur Hohlraumachse verlaufen und wenige Zentimeter von den inneren Hohlraumwänden entfernt in das herkömmliche Isoliermaterial integriert sind. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird vorgewärmt, indem sie durch das Rohrbündel vom hinteren Teil des Receivers zum vorderen Abschnitt fliesst, wo sie in den Hohlraum geleitet wird. Trotz des komplexeren mechanischen Designs sind die wichtigsten Vorteile dieser Lösung: eine Reduzierung der thermischen Masse des Receivers (nützlich zur Reduzierung der Transienten) und eine leichte Reduzierung des Wärmeverlusts von den Aussenflächen. Aufgrund der Rückmeldungen des Dämmungsherstellers zu den Herausforderungen bei der Installation gebogener Rohre durch die Dämmung wurde jedoch beschlossen, die Umsetzung der aktiven Wärmedämmung zu vermeiden und stattdessen einen herkömmlichen Verteiler zur Dampfeinspeisung in den Hohlraum zu verwenden. Darüber hinaus wurde auch ein vorläufiger Entwurf der Innenkühlung der Receiveröffnung auf der Grundlage einer Reihe von parallel zur Öffnung verlaufenden Radialstrahlen vorgeschlagen und bewertet.

Der 250-kW-SM1D-Receiverprototyp wurde gebaut und dann von Juli 2022 bis Oktober 2023 für Tests auf der Sonne genutzt. Während der Konstruktions- und Bauphase wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung eines geeigneten Wasserkühlsystems für den Sekundärkonzentrator gelegt, der während einer der experimentellen Kampagnen einige Fehlfunktionen aufwies. Im Allgemeinen lieferte SM1D zuverlässig Dampf mit Temperaturen von über 1000 °C und wurde erfolgreich mit einem gasbeheizten Reformer zur Erzeugung von solarem Synthesegas gekoppelt.

Schlussbericht (Englisch)

The use of alternative fuels has been identified as a major lever for the reduction of the carbon footprint especially of aviation and maritime long-distance transport. One technological pathway for their production is via the conversion of biomass (i.e., agricultural residues, wastes, or manure). To this end, the biomass is fermented and the biogas is upgraded to synthesis gas by concentrated solar energy. To reach the required temperatures, sunlight is concentrated by a field of mirrors and focused on the top of a tower, where a receiver turns the radiation into high-temperature heat.

The development of efficient solar receivers is a cornerstone of the technology and has been progressed by a recent design of Synhelion, which makes use of the greenhouse effect to reach high temperatures at comparably low concentrations of solar radiation.

The FUELRECII project investigates the design and testing of two different solar receivers and thus helps to mature the technology and to prepare its implementation in a future plant design.

The FUELRECII project activities mainly focus two fronts:

• design and engineering of the first pre-commercial 0.6 MW (SM3) receiver;
• construction and on-sun testing of the 250 kW SM1D receiver prototype.

Concerning the former, the first pre-commercial 0.6 MW (SM3) receiver was designed and carefully analysed through a series of CFD simulations campaigns with the twofold aim of: (i) deeply understanding the physical phenomena taking place into the cavity, along with their mutual interaction, and (ii) optimizing its design in order to maximize the amount of solar energy collected by the heat transfer fluid. The receiver is currently in the final part of the engineering phase. The refractory lined cavity of SM3 was scaled by a factor two in diameter with respect to SM1D, which would allow for a factor four in power (1 MW) as originally targeted. However, due to the limited land size available for the industrial demo plant, the solar field size had to be reduced and the receiver’s aperture area was designed for 0.6 m² or 600 kW concentrated solar input power. Nevertheless, a segmented window aperture, based on a sequence of quarter quartz tubes, was chosen for SM3, compared to the flat quartz window of SM1D. Even though the segmented window is not completely airtight anymore, specific CFD simulations allowed to observe the effective atmospheric sealing by the proposed solution. The manufacturability, and cutting, of the quarter quartz tubes were confirmed through specific tests conducted by the suppliers. Both concepts, the lightweight thermal insulation of the cavity based on fibre modules as well as the segmented window aperture are scalable to a commercial multi-megawatt scale. An innovative solution for insulating the receiver was also proposed and evaluated through a CFD-based approach. This active thermal insulation solution consists of a straight tubes bundle, parallel to the cavity axis, integrated into the conventional insulating material at few centimetres from the internal cavity walls. The heat transfer fluid is preheated by flowing through the tubes bundle from the rear part of the receiver to the front section where it is fed into the cavity. Despite the more complex mechanical design, the major foreseen advantages provided by this solution are: a reduction of the receiver thermal mass (useful to reduce the transients) and a slight reduction on the heat loss from the external surfaces. However, based upon the feedback from the insulation manufacturer underlying challenges in the installation of curved tubes through the insulation, it was decided to avoid the implementation of the active thermal insulation exploiting a conventional manifold to feed steam into the cavity. Furthermore, a preliminary design of the receiver aperture internal cooling, based on a series of radial jets parallel to the aperture, was also proposed and evaluated.

The 250 kW SM1D receiver prototype was constructed and then exploited to on-sun testing from July 2022 until October 2023. During the engineering and construction phase, special care was given to the design of a proper water-cooling system for the secondary concentrator which showed some malfunctioning during one of the experimental campaigns. In general, SM1D reliably delivered steam at temperatures above 1’000 °C and was successfully coupled to a gas-heated reformer for the production of solar syngas.

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 2'668 kB

Schlussbericht (Französisch)

L'utilisation de carburants alternatifs a été identifiée comme un levier majeur pour la réduction de l'empreinte carbone, en particulier pour l'aviation et le transport maritime à longue distance. L'une des voies technologiques pour leur production est la conversion de la biomasse (c'est-à-dire des résidus agricoles, des déchets ou du fumier). À cette fin, la biomasse est fermentée et le biogaz est transformé en gaz de synthèse grâce à l'énergie solaire concentrée. Pour atteindre les températures requises, la lumière du soleil est concentrée par un champ de miroirs et dirigée vers le sommet d'une tour, où un récepteur transforme le rayonnement en chaleur à haute température.

Le développement de récepteurs solaires efficaces est la pierre angulaire de la technologie et a progressé grâce à la conception récente de Synhelion, qui utilise l'effet de serre pour atteindre des températures élevées avec des concentrations de rayonnement solaire comparativement faibles.

Le projet FUELRECII étudie la conception et les essais de deux récepteurs solaires différents et contribue ainsi à la maturation de la technologie et à la préparation de sa mise en œuvre dans une future centrale.

Les activités du projet FUELRECII se concentrent principalement sur deux fronts :

• la conception et l'ingénierie du premier récepteur pré-commercial de 0,6 MW (SM3) ;
• la construction et les essais au soleil du prototype de récepteur SM1D de 250 kW.

En ce qui concerne le premier, le premier récepteur précommercial de 0,6 MW (SM3) a été conçu et soigneusement analysé à travers une série de campagnes de simulations CFD dans le double but de : (i) comprendre en profondeur les phénomènes physiques qui se déroulent dans la cavité, ainsi que leur interaction mutuelle, et (ii) optimiser sa conception afin de maximiser la quantité d'énergie solaire collectée par le fluide caloporteur. Le récepteur se trouve actuellement dans la dernière partie de la phase d'ingénierie. La cavité à revêtement réfractaire de SM3 a été agrandie d'un facteur deux en diamètre par rapport à SM1D, ce qui permettrait d'augmenter la puissance d'un facteur quatre (1 MW) comme prévu à l'origine. Cependant, en raison de la taille limitée du terrain disponible pour l'installation de démonstration industrielle, la taille du champ solaire a dû être réduite et l'ouverture du récepteur a été conçue pour 0,6m2 ou 600 kW de puissance d'entrée solaire concentrée. Néanmoins, une fenêtre segmentée, basée sur une séquence de quarts de tubes de quartz, a été choisie pour SM3, par rapport à la fenêtre de quartz plate de SM1D. Même si la fenêtre segmentée n'est plus complètement étanche à l'air, des simulations CFD spécifiques ont permis d'observer l'efficacité de l'étanchéité atmosphérique de la solution proposée. La fabricabilité et la découpe des quarts de tubes de quartz ont été confirmées par des essais spécifiques réalisés par les fournisseurs. Les deux concepts, l'isolation thermique légère de la cavité basée sur des modules de fibres et l'ouverture segmentée de la fenêtre, sont extensibles à une échelle commerciale de plusieurs mégawatts. Une solution innovante pour l'isolation du récepteur a également été proposée et évaluée par une approche basée sur la CFD. Cette solution d'isolation thermique active consiste en un faisceau de tubes droits, parallèles à l'axe de la cavité, intégrés dans le matériau isolant conventionnel à quelques centimètres des parois internes de la cavité. Le fluide caloporteur est préchauffé en circulant dans le faisceau de tubes depuis la partie arrière du récepteur jusqu'à la partie avant où il est introduit dans la cavité. Malgré une conception mécanique plus complexe, les principaux avantages prévus de cette solution sont : une réduction de la masse thermique du récepteur (utile pour réduire les transitoires) et une légère réduction de la perte de chaleur par les surfaces externes. Toutefois, sur la base des informations fournies par le fabricant de l'isolant, qui soulignent les difficultés liées à l'installation de tubes courbes à travers l'isolant, il a été décidé d'éviter la mise en œuvre de l'isolation thermique active en utilisant un collecteur conventionnel pour introduire la vapeur dans la cavité. En outre, une conception préliminaire du refroidissement interne de l'ouverture du récepteur, basée sur une série de jets radiaux parallèles à l'ouverture, a également été proposée et évaluée.

Le prototype de récepteur SM1D de 250 kW a été construit puis exploité pour des essais sur le soleil de juillet 2022 à octobre 2023. Au cours de la phase d'ingénierie et de construction, une attention particulière a été accordée à la conception d'un système de refroidissement par eau approprié pour le concentrateur secondaire, qui a présenté quelques dysfonctionnements au cours de l'une des campagnes expérimentales. En général, SM1D a fourni de la vapeur à des températures supérieures à 1000 °C et a été couplé avec succès à un reformeur chauffé au gaz pour la production de gaz de synthèse solaire.