Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2018

44 alternative fuels
Partikelreaktorkonzept
zur solaren
Synthesegasproduktion
Particle Reactor
Concept for the
Production of Solar
Synthesis Gas
Solarthermochemische Kraftstoffe könnten den
CO 2 -Eintrag der Luftfahrt um über 80 % gegenüber
konventionellem Kerosin senken und sind prinzipiell
in beliebiger Menge verfügbar. Zu ihrer Herstellung
werden Wasser und CO 2 in einem thermochemischen
Reaktor mit konzentrierter Solarenergie zu
Synthesegas umgewandelt, welches anschließend
im Fischer-Tropsch-Prozess zu Kerosin verarbeitet
wird. Der thermochemische Reaktor mit dem Feststoff-Reaktant
Cerium ist das Herzstück der Prozesskette
mit heutigen Wirkungsgraden von etwa
5 %. 1 Für eine ökonomische Produktion sollten
jedoch Werte von circa 20 % erreicht werden, 2
weshalb neue Konzepte erforscht werden.
Unter den neuen Reaktorkonzepten ist der
Cerium-Partikelreaktor sehr vielversprechend, da
er die effektive Wärmeübertragung von heißem zu
kaltem Reaktant-Material und neue Reaktorgeometrien
ermöglicht.
Im untersuchten Reaktorkonzept laufen die
Partikel vertikal im Gegenstrom, wobei die kalten
Partikel von den heißen aufgeheizt werden. Auf
der oberen, heißen Seite erfolgt die Reduktion des
Materials, welches dann auf der unteren, kalten
Seite durch Oxidation mit Wasser und CO 2 zur
Synthesegasproduktion genutzt werden kann. Die
detaillierte Modellierung der Wärmeübergänge
des Konzeptes zeigt, dass etwa 50 bis 80 % der
Wärme rekuperiert werden können, abhängig von
der Durchmischung der Partikel. Mithilfe des im
Projekt SUN-to-LIQUID entwickelten Modells ist
die Bestimmung der optimalen Geometrie zur Maximierung
des Wirkungsgrades möglich. Die durchgeführten
Arbeiten stellen somit einen wichtigen
Schritt dar auf dem Weg zu effizienteren Reaktoren
für die solarthermochemische Kraftstoffproduktion.
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1800 K
1000 K
Mit dem entwickelten
Modell kann
die Wärmeübertragung
im Detail
untersucht werden.
The developed
reactor model
enables detailed
analysis of heat
transfer.
This project has received
funding from the European
Union’s Horizon 2020 research
and innovation programme
under grant agreement No.
654408. (www.sun-to-liquid.eu)
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
T [K]
Solar thermochemical fuels could reduce the net
CO 2 emissions of the aviation sector by over 80 %
with respect to conventional fuels and are in principle
available in unlimited volumes. Using concentrated
solar energy in a thermochemical reactor,
water and CO 2 are converted into synthesis gas
from which jet fuel is subsequently synthesised in
the Fischer-Tropsch process. The thermochemical
process step with cerium oxide as the solid
reactant is the cornerstone of the process chain,
achieving energy conversion efficiencies of about
5 % 1 today. For an economical fuel production,
values approaching 20 % 2 should, however, be
accomplished. For that reason, new reactor concepts
are being investigated.
Among the new concepts, a reactor using
mobile cerium oxide particles is very promising
because it enables the effective transfer of heat
from hot to cold reactant material, as well as new
reactor geometries.
In the analysed reactor concept, the particles
move in a vertical counter-flow, whereas the cold
particles are heated by the hot ones. At the upper,
hot side, the material is reduced, while it is subsequently
reoxidised at the lower, cold side of the
reactor for the production of synthesis gas from
water and CO 2 . The detailed modelling of heat
transfer in this concept shows that about 50 to 80 %
of the heat can be recuperated, dependent on the
level of mixing of the particles. Developed in the
SUN-to-LIQUID project, this model can be used to
determine the optimal geometry for the maximisation
of efficiency. The performed work therefore
represents an important step on the path towards
more efficient reactors for solar thermochemical
fuel production.
1
Marxer, D., Furler, P., Takacs, M., & Steinfeld, A. (2017). Solar thermochemical
splitting of CO 2 into separate streams of CO and O 2 with high
selectivity, stability, conversion, and efficiency. Energy & Environmental
Science, 10(5), pp. 1142–1149. doi: 10.1039/C6EE03776C
2
Falter, C., Batteiger, V., & Sizmann, A. (2015). Climate Impact and Economic
Feasibility of Solar Thermochemical Jet Fuel Production. Environmental
Science & Technology, 50(1), pp. 470–477. doi: 10.1021/acs.
est.5b03515Taufkirchen, Germany, 2018.