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EU-Projekt FlowPhotoChem

In dem EU-Projekt FlowPhotoChem ist es gelungen, ein modulares, mit Sonnenlicht betriebenes System zur Produktion nachhaltiger Chemikalien zu entwickeln und praxisnah im Xenon-Hochleistungsstrahler am DLR-Standort in Köln-Porz zu betreiben.

Der Fokus des Projektes lag auf der solaren Produktion von Ethen, einem wichtigen Ausgangsstoff für die chemische Industrie, der unter anderem für die Produktion des Kunststoffs Polyethylen verwendet wird. Daneben entstehen relevante Mengen weiterer wertvoller Produkte wie Acetat, Ethanol und Propanol.

Stufenweise zum Zielprodukt Ethen

Das System besteht aus drei kaskadenartig miteinander verbundenen Reaktormodulen, in denen unterschiedliche Schritte auf dem Weg von den Ausgangsstoffen Wasser und Kohlendioxid zu den Zielprodukten ablaufen:

In dem ersten, photo-elektrochemischen Reaktormodul werden Wassermoleküle unter Nutzung konzentrierter Solarstrahlung gespalten und dabei Wasserstoff sowie das Nebenprodukt Sauerstoff erzeugt.

Der produzierte Wasserstoff wird zusammen mit Kohlendioxid in das zweite Reaktormodul geleitet. Dort wird, ebenfalls unter konzentrierter Solarstrahlung, photokatalytisch beziehungsweise photothermisch Kohlenmonoxid erzeugt.

Zuletzt gelangt dieses Kohlenmonoxid in einen dritten, elektrochemischen Reaktor, in dem mithilfe elektrischer Energie, welche aus Photovoltaik-Anlagen stammen kann, die Zielprodukte gebildet werden.

Aufbau und Versuche im Kölner Hochleistungsstrahler

Das Institut für Future Fuels war für das Design und den Aufbau eines betriebsfähigen Gesamtsystems sowie die Integration der drei genannten Reaktormodule verantwortlich. Diese wurden von spezialisierten Projektpartnern entwickelt.

Die Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (EPFL) sowie deren Ausgründung SoHHyte lieferten das photo-elektrochemische Reaktormodul, während die Polytechnische Universität Valencia (UPV) das zweite Reaktormodul baute.

Das elektrochemische Reaktormodul wurde in Ungarn von dem Unternehmen eChemicles mit Unterstützung der Universität Szeged (SZTE) entwickelt.

Das Institut für Future Fuels hat mithilfe erarbeiteter Systemmodelle die Entwicklung der Reaktormodule aus Systemperspektive begleitet und in intensiver Zusammenarbeit mit den Projektpartnern eine Kompatibilität der Reaktormodule sicherstellen können.

Der Aufbau und die Inbetriebnahme des Gesamtsystems erfolgte im Xenon-Hochleistungsstrahler des Instituts für Future Fuels. Der Hochleitungsstrahler lieferte die für den Betrieb des ersten und zweiten Reaktormoduls benötigte konzentrierte – hier künstliche – Solarstrahlung. Seine Nutzung erlaubte es dabei, die Versuche wetterunabhängig durchzuführen.

Eine besondere Herausforderung bestand darin, ein flaches Intensitätsprofil auf den zu bestrahlenden Oberflächen der Reaktormodule sicherzustellen. Forschende und Ingenieur*innen des Instituts für Future Fuels haben dazu passende optische Elemente zur Strahlformung entwickelt und zwischen den Lampen des Hochleistungsstrahlers und den Reaktormodulen platziert.

Bestrahlung mit bis zu 700 Sonnen

In der finalen einwöchigen Versuchsphase konnten die Forschenden die solare Erzeugung des Zielproduktes Ethen sowie weiterer Kohlenwasserstoffe und Energieträger erfolgreich demonstrieren und somit einen wichtigen Meilenstein des Projektes FlowPhotoChem erreichen.

Auch konnte das Institut für Future Fuels durch die gesammelten praktischen Erfahrungen seine Expertise im Bereich des Betriebs komplexer Versuchsaufbauten mit umfassender Mess- und Regeltechnik weiter ausbauen.

Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine wichtige Basis für die Weiterentwicklung dieses modularen Ansatzes zur nachhaltigen und klimaneutralen Produktion von Chemikalien und Energieträgern dar.

Weitere Meldungen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt unter diesem Link.