Synlight: H2-Erzeugung mit konzentrierter Solarenergie

Synlight
Synlight-Reaktor, © DLR

In Jülich scheint die Sonne seit diesem Frühjahr auf Knopfdruck und zudem 10.000-mal heller als gewohnt. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat an seinem nordrhein-westfälischen Standort Synlight eingeweiht, 149 Hochleistungsstrahler, die gebündelte Sonnenstrahlung simulieren können. Mit ihrer Hilfe sollen in dem extra dafür errichteten dreistöckigen Forschungsgebäude solare Treibstoffe unabhängig von störenden Wettereinflüssen erforscht werden. Ziel ist, geeignete Solarsysteme zu entwickeln, die möglichst effizient Wasserstoff oder andere Brennstoffe erzeugen.

Was genau in dem DLR-Neubau installiert worden ist, umschrieb Bernhard Hoffschmidt, Leiter des Instituts für Solarforschung, so: „Wir holen den Stern von da oben auf die Erde.“ Dafür wurden rund 150 Strahler vertikal an einem hohen Gerüst wabenförmig angeordnet. Gewählt wurden dafür Xenon-Kurzbogenlampen, wie sie auch in Kinosälen eingesetzt werden. Aber anstatt eine großflächige Leinwand auszuleuchten, können die Lampen ihre Strahlen mit den verspiegelten, etwa einen Meter im Durchmesser großen Reflektoren auf 20 mal 20 Zentimeter konzentrieren. Dies entspricht dann einer Leistungskonzentration von 10.000 kW/m², während das Sonnenlicht auf der Erde bestenfalls 1 kW/m² erreicht. Auf diese Weise können im Fokus Temperaturen von über 3.000 °C entstehen. Da die Lampen zudem individuell steuerbar sind, können gleichzeitig drei verschiedene Versuche durchgeführt werden, was die Entwicklungsdauer erheblich verkürzt.

Das goldene Ei

Die hohen Temperaturen sollen dazu genutzt werden, auf nachhaltige Art beispielsweise Wasserstoff zu erzeugen. DLR-Vorstand Lemmer erklärte: „Solar erzeugte Kraft-, Treib- und Brennstoffe bieten große Potentiale für die Langzeitspeicherung, die Erzeugung chemischer Grundstoffe und die Reduzierung von CO2-Emissionen.“

Zur Wasserstofferzeugung wird Licht gebündelt und auf eine Versuchsanlage fokussiert, in der sich eine Struktur aus Ceroxid befindet. Wird in den Reaktionsraum Wasserdampf eingedüst, reagiert der darin enthaltene Sauerstoff bei etwa 800 °C mit der Metallverbindung und wird in deren Gefügestruktur eingelagert, so dass am Ende Wasserstoff übrig bleibt. Dieses Gas bezeichnete Hoffschmidt als „das goldene Ei“, weil „aus diesem hochenergetischen Brennstoff alles geformt werden kann“.

Nordrhein-Westfalen

NRW-Umweltminister Johannes Remmel betonte anlässlich der Eröffnung am 23. März 2017: „Um die Ziele zum Ausbau der erneuerbaren Energien zu erreichen, brauchen wir den praktischen Ausbau vorhandener Technik. Aber ohne Investitionen in innovative Forschung, in modernste Technologien und auch in weltweite Leuchtturmprojekte wie Synlight wird die Energiewende stecken bleiben.“

Das Land Nordrhein-Westfalen unterstützte das Projekt mit 2,4 Mio. Euro. Weitere 1,1 Mio. Euro kamen vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi).

Effizientere solare H2-Herstellung

Wichtigster Aspekt dabei ist, dass mit den Strahlern stets reproduzierbare Randbedingungen gewährleistet sind, die so in der Natur nicht gegeben sind. Deswegen „ist das Licht dafür optimiert, um möglichst nah an der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts zu sein“, erläuterte Hoffschmidt. Zudem stellte der Institutsleiter klar, dass die Anschlussleistung dieser Anlage zwar bei beachtlichen 1,5 Megawatt liege, dass die Strahler aber nicht dauerhaft brennen, sondern nur kurzzeitig für die jeweiligen Versuche angeschaltet würden.

Dr. Kai Wieghardt, der den Aufbau der Anlage maßgeblich betreut hat, erläuterte diesen Umstand gegenüber HZwei mit den Worten: „Wir rechnen mit 1,5 MW mal 500 Stunden im Jahr, wenn die Anlage einmal voll ausgelastet sein wird. Das ist sehr viel, wenn man es mit einem Familienhaushalt vergleicht, und sehr wenig im Vergleich mit einem Kraftwerk.“

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Mit diesem „mehr“ meinte Kai Wieghardt unter anderem, dass der Wirkungsgrad von Photovoltaik und Elektrolyse bei der H2-Herstellung von bisher etwa 20 % beziehungsweise 80 % (Richtwerte) übertroffen werden soll. „Wir hoffen“, stellte der Wissenschaftler darüber hinaus in Aussicht, „in etwa zehn Jahren marktreife industrielle Anwendungen zu bekommen.“

In Jülich steht bereits ein Solarturm mit mehr als 2.000 beweglichen Spiegeln (Heliostate). Aber auch sonst bietet das wissenschaftliche Umfeld an diesem Standort ideale Bedingungen für weitere innovative Entwicklungen in der Solartechnik. Zudem steht noch eine weitere Versuchsanlage (Hochflussdichte-Sonnenofen) am DLR-Standort in Köln-Porz.

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