Solarthermische Industrieanwendungen

Die Sonnenenergie ist intermittierend – sie ist nur an sonnigen Tagen verfügbar. Es kann zur Stromerzeugung durch Photovoltaikzellen verwendet werden, aber ein effizienterer Einsatz ist die Bündelung der Wärme durch Fokussierung des Sonnenlichts mit Parabolspiegeln. Dies ist nützlich und effizient für die Warmwasserbereitung, kann aber auch in Herstellungsprozessen und für chemische Systeme zur Erzeugung von Energiespeichermedien wie Wasserstoff und Methanol eingesetzt werden.

Beispiele für Herstellungsverfahren, die solare Hochtemperatur-Energie nutzen können, sind die Zement- und Metallherstellung sowie das Recycling von Schwermetallabfällen. Diese Prozesse benötigen Wärme von bis zu 2000°C. Konzentrierte Solarwärme kann daher potenziell große Mengen an fossilen Brennstoffen einsparen.

Der derzeitige globale Energieverbrauch könnte durch Solarenergiesysteme mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 20% gedeckt werden, die 0,1% der Fläche abdecken. Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche beträgt durchschnittlich 1-3 kW/m2. Es ist sinnvoll, die Nutzung der verfügbaren Sonnenenergie im Bereich von ± 30° vom Äquator aus zu maximieren, wo die Sonnenintensität über 3 kW/m2 für viel mehr Stunden im Jahr liegt. Um dies zu erreichen, ist es besser, die Energie in eine chemische Speicherform umzuwandeln, als in Strom. Ein Teil der Infrastruktur für ein solches System existiert bereits in der Erdölindustrie – Öl und Gas sowie Kohle sind schließlich chemische Speicher für Sonnenenergie aus Jahrtausenden. Öltanker könnten ebenso gut den in Wüstenregionen erzeugten Kraftstoff durch solare Kraft-Wärme-Kopplung transportieren.

Thermolyse von Wasser

Wasseraufbereitung Bei hohen Temperaturen über 2500 K und abhängig vom Druck spaltet sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf.

H2O → H2 + ½O2

Um das Trennungsproblem, bei dem ein Explosionsgefahr besteht, mit der Trennung der Wasserstoffs vom Sauerstoff bei hohen Temperaturen, werden zweistufige Wasserspaltungs-Zyklen eingeführt, die auf sogenannten Metalloxid-Redox-Systemen basieren.

1. Solarthermische (endotherme) Auflösung von Metalloxiden bei hohen Temperaturen (> 2300K):

MxOy → xM + (y/2)O2

2. Hydrolyse (exotherm) von Metallprodukten bei moderaten Temperaturen (< 900 K), durch die molekularer Wasserstoff und entsprechende Metalloxide gebildet werden:

xM + yH2O → MxOy + yH2

Mit solchen Reduktions-Oxidationssystemen können Wirkungsgrade von mehr als 30% erreicht werden.