Es klingt fast märchenhaft: In einem hohen, Spiegel-besetzten Turm entstehen aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht nachhaltige Kraftstoffe. Fraunhofer-Experten steuern ihrem Vorhaben Material Advancements for Solar Fuels Technology, kurz Mafos ihr Know-how zu diesem besonderen Projekt bei. Ein Team kreativer Wissenschaftler am Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC entwickelt zukunftsweisende Materialien für die erste industrielle Solar-to-Fuel-Demonstrationsanlage. Mit ihren Partnern arbeiten die Fachleute im Rahmen des europäischen Förderprogramms Eurostars 3 an einem ganzheitlichen Konzept zur CO2-Reduktion und Speicherung erneuerbarer Energien in künstlichen Treibstoffen.
Ein Turm voller Energie ermöglicht Solar-to-Fuel
Tatsächlich existiert bereits eine Pilotanlage, die das Schweizer Start-up Synhelion am Solarturm des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR in Jülich betreibt. In dieser Solar-to-Fuel-Anlage werden aus Wasser und Kohlendioxid beziehungsweise Methan Treibstoffe hergestellt. Im Fokus der Experten steht dabei aktuell der Kraftstoff Kerosin. Die Anlage umfasst eine große Fläche mit Spiegeln, die Sonnenlicht bündelt. Dieses wird in einem Turm in Hitze umgewandelt, welche über ein Rohr in eine Reaktorkammer geleitet wird. Dort reagieren die so erhitzten Ausgangsprodukte miteinander und bilden den gewünschten Treibstoff.
Um den Turm für die Kraftstoffproduktion nutzen zu können, sind für die einzelnen Komponenten besondere Materialien erforderlich. Eine Herausforderung stellen die hohen Temperaturen in Kombination mit Wasserdampf dar. Am Sonnenstrahleneintrittsfenster sind sie mit bis zu 800 °C noch vergleichsweise moderat. In den darauffolgenden Prozessschritten steigt die Temperatur auf bis zu 1500 °C. Für diese Bedingungen ist die Materialauswahl besonders anspruchsvoll, die konstruktiven Lösungen sind aufwendig. Neue, extrem widerstands-fähige Hochleistungsbeschichtungen sollen diese in Zukunft erleichtern und mehr Möglichkeiten für die Konstrukteure schaffen.
Know-how für Hochtemperaturwerkstoffe
An diesem Punkt setzt das Fraunhofer ISC Zentrum HTL mit seiner Material-Expertise für Leichtbau und Hochtemperaturwerkstoffe an. Sie entwickeln anorganische keramische Materialien als Schutzschichten für verschiedene Anlagenkomponenten und zukünftige Anwendungen. Die Materialien müssen zahlreichen Anforderungen gerecht werden: So ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Beschichtung am Eintrittsfenster anhaltend sonnenlichtdurchlässig und beständig gegen Wasserdampf ist. Zudem muss sie an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasscheibe angepasst sein, damit sie bei Temperaturwechseln nicht abplatzt. Mit den folgenden Prozessabschnitten und ihren stetig steigenden Temperaturen muss die Beschichtung hinsichtlich der Wärmeausdehnung stets an das jeweilige Träger-Substrat angepasst und dabei dicht sein.
Über diese Materialien hinaus entwickeln die Fraunhofer-Fachleute Trägerstrukturen aus Faserverbundkeramik für Rohrleitungen. Faserverbundkeramik ist schadenstoleranter als monolithische Keramik, doch die am Markt verfügbaren Fasern tolerieren nur maximal 1200 Grad Celsius. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer HTL haben sich zum Ziel gesetzt, eine höhere Temperaturstabilität zu erreichen und die Anwendungstemperatur der Verstärkungsfasern auf 1500 °C zu erhöhen.
Erfolgreich in der Zusammenarbeit
Einen ersten wichtigen Meilenstein haben die Forschenden bereits erreicht: die Beschichtung für das Sonnenstrahleneintrittsfenster. „Hier war der sehr geringe Wärmeausdehnungskoeffizient die große Herausforderung. Doch es ist uns gelungen, ein geeignetes Material zu identifizieren. Durch unsere Tests konnten wir nachweisen, dass es nicht nur besonders hitze-, sondern auch wasserdampfstabil ist. Es schützt das darunterliegende Material und ist transparent genug, um dauerhaft genügend Sonnenlicht passieren zu lassen“, freut sich Mafos-Projektleiter Jonathan Maier.
Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Eintrittsfenster in realer Bauteilgröße beschichten, damit es bei Synhelion getestet werden kann. Gemeinsam mit einem weiteren Projektpartner, der Firma Cerafib, spezialisiert auf hochtemperaturbeständige Werkstoffe und Bauteile in Verbundbauweise, haben die Fachleute des Fraunhofer HTL zudem bereits erfolgreich Rohrleitungen aus Faser-verbundkeramik gefertigt.
Dank des Engagements der Mafos-Partner soll bereits 2024 Synhelions industrielle Solar-to-Fuel Demonstrationsanlage in Deutschland den Betrieb aufnehmen.
