Het verkrijgen van duurzame brandstoffen uit zonne-energie is een ambitieus project en stelt grote uitdagingen voor mensen en materialen. In het MAfoS-project ontwikkelen onderzoekers van het Fraunhofer Center for High-Temperature Lightweight Design HTL-materialen voor het eerste industriële demonstratiesysteem van zonne-energie naar brandstof.
Het klinkt bijna als een sprookje: duurzame brandstoffen dat gemaakt wordt uit water, CO2 en zonlicht in een hoge toren met spiegels. Fraunhofer-experts dragen hun kennis bij aan dit plan in een speciaal project. De naam van het project is MAfoS ‘Material Advancements for Solar Fuels Technology). Voor dit project heeft een team van creatieve wetenschappers van het Center for Hochtemperatur-Leichtbau HTL van Het Fraunhofer Instituut voor Silicaatonderzoek ISC een baanbrekende materialen ontwikkeld voor het eerste industriële demonstratiesysteem van zonne-energie naar brandstof. Met hun partners werken de experts aan een holistisch concept voor CO2-reductie en opslag van hernieuwbare energie in kunstmatige brandstoffen als onderdeel van het Europese financieringsprogramma Eurostars 3.
Een toren vol energie
Er bestaat zelfs al een proefsysteem dat projectpartner Synhelion, een Zwitsers start-upbedrijf, exploiteert op de zonnetoren van het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum DLR in Jülich. In dit solar-to-fuel-systeem worden brandstoffen geproduceerd uit water en koolstofdioxide of methaan. De experts richten zich momenteel op kerosine als brandstof. De faciliteit omvat een groot gebied met spiegels die het zonlicht concentreren. Dit wordt in een toren omgezet in warmte. Deze warmte wordt via een leiding naar een reactorkamer geleid. Daar reageren de aldus verwarmde uitgangsproducten met elkaar en vormen H2 en CO. Hieruit kan vervolgens de gewenste brandstof gemaakt worden.
Om het proces te starten en de toren te gebruiken voor de productie van brandstof, zijn voor de afzonderlijke componenten speciale materialen nodig. De hoge temperaturen in combinatie met waterdamp vormen een uitdaging. Bij het venster waar het zonlicht binnen komt, zijn de temperaturen met ca. 800 C?í nog relatief gematigd. In de daaropvolgende processtappen stijgt de temperatuur tot wel 1500 C?í. Voor deze omstandigheden is de materiaalkeuze bijzonder veeleisend en zijn de constructieve oplossingen complex. Nieuwe, extreem resistente en hoogwaardige coatings moeten het in de toekomst gemakkelijker maken voor ontwerpers en meer opties voor hen creëren.
Knowhow voor materialen voor hoge temperaturen
Hier komt het Fraunhofer ISC Center HTL van pas met zijn materiaalexpertise voor lichtgewicht constructies en materialen voor hoge temperaturen. Ze ontwikkelen anorganische keramische materialen als beschermlagen voor verschillende systeemcomponenten en toekomstige toepassingen. De materialen moeten aan tal van eisen voldoen. Zo is het van cruciaal belang voor het systeem van Synhelion dat de coating op het entreevenster permanent transparant is voor zonlicht en bestand is tegen waterdamp. Bovendien moet het worden aangepast aan de thermische uitzettingscoëfficiënt van het glas, zodat het niet afbladdert als de temperatuur verandert. Ook bij de volgende processtappen en hun voortdurend stijgende temperaturen moet de coating altijd qua thermische uitzetting aan het betreffende dragersubstraat worden aangepast en tegelijkertijd dicht zijn.
Naast deze materialen ontwikkelen Fraunhofer-experts steunconstructies van vezelcomposietkeramiek voor pijpleidingen. Vezelcomposietkeramiek is schadetoleranter dan monolithische keramiek, maar de op de markt verkrijgbare vezels zijn slechts geschikt tot maximaal 1200 C?í. De wetenschappers van Fraunhofer HTL hebben zichzelf ten doel gesteld een grotere temperatuurstabiliteit te bereiken en de verwerkingstemperatuur van de versterkende vezels te verhogen tot 1500 C?í.
Succesvol in samenwerking
De onderzoekers hebben al een eerste belangrijke mijlpaal voor de coating voor het zonnelichtvenster bereikt. “De zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt was hier de grote uitdaging. Maar we zijn erin geslaagd een geschikt materiaal te ontdekken. Door onze tests hebben we kunnen bewijzen dat het niet alleen bijzonder hittebestendig is, maar ook waterdampstabiel. Het beschermt het materiaal eronder en is transparant genoeg om te allen tijde voldoende zonlicht door te laten”, zegt MAfoS-projectmanager Jonathan Maier.
In de volgende stap willen de wetenschappers het toegangsraam op ware grootte bekleden, zodat het bij Synhelion kan worden getest. Samen met een andere projectpartner, het bedrijf CeraFib, gespecialiseerd in hittebestendige materialen en componenten in de composietbouw, hebben de experts van Fraunhofer HTL al met succes buizen vervaardigd uit vezelversterkt keramiek.
Bijdrage aan groene energie
De experts van Fraunhofer HTL zijn niet alleen enthousiast over het totale project, maar ook over de bijdrage die ze kunnen leveren door hun deelname: “We wilden altijd al werken met onze klassieke Fraunhofer HTL-onderwerpen. Hogetemperatuurcoatings en materialen, maar ook keramische vezels, worden nu ingezet voor hernieuwbare energie, energie-efficiëntie, power-to-X en power-to-fuel. Met dit project bewijzen we dat we met onze technische knowhow klantgericht en dicht bij de markt zijn. Ook zijn we een sterke samenwerkingspartner, vooral voor kleine en middelgrote bedrijven in dit gebied”, zegt Arne Rüdinger, hoofd van de afdeling keramische vezels bij Fraunhofer HTL. En Jonathan Maier vult aan: “Daarnaast is het heel mooi dat we met ons onderzoek zo’n belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de CO2-reductie en daarmee aan de duurzame transformatie van onze samenleving.” Een transformatie die tastbaar is dankzij de inzet van de MAfoS partners De toekomst nadert: de industriële demonstratiefabriek voor zonne-energie van Synhelion in Duitsland zal naar verwachting al dit jaar operationeel zijn.
Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Luchtfoto van de DLR-zonnetoren en spiegelveld te Jülich. Het spiegelveld concentreert de zonnestraling op de zonnetoren en verwarmt de reactiekamer.
Spinnen van oxide-keramische vezels op pilotschaal
Leidingen gemaakt van het oxide-keramische vezelcomposietmateriaal O-CMC
