CH714967A2 - Solarer Receiver-Reaktor. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Syngas mit Hilfe von Sonnenstrahlung, bei welchem der Reaktor eins Receiver-Reaktors (4) über eine in diesem vorgesehene Öffnung für Sonnenstrahlung durch die Sonnenstrahlung periodisch für einen Reduktionsprozess bis auf eine obere Reduktionstemperatur erwärmt und danach für einen Oxidationsprozess in Gegenwart eines Oxidationsgases bis auf eine untere Oxidationstemperatur gekühlt wird, wobei das Sonnenlicht durch eine Absorptionskammer (15) hindurch auf einen als Reaktor ausgebildeten Absorber (14) geführt wird, der ein reduzierbares/oxidierbares Material aufweist, und wobei ein die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers (14) absorbierendes Gas durch die Absorptionskammer (15) geleitet und diese derart ausgebildet wird, dass die Rückstrahlung des Absorbers durch die Öffnung im Wesentlichen durch das Gas absorbiert wird. Dadurch werden erfindungsgemäss Strahlungsverluste durch Rückstrahlung der Schwarzkörperstrahlung aus der optischen Öffnung hinaus vermieden. Die Wärme der Rückstrahlung ist jedoch direkt im Wärme transportierenden Fluid nutzbar und steht für eine flexible Nutzung bereit. Der Receiver-Reaktor ist einfach konstruiert und als low-cost Receiver-Reaktor geeignet.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen solaren Receiver-Reaktor, d.h. einen Reaktor, der direkt durch die Energie der Sonnenstrahlung betrieben wird.

[0002] Einer der zahlreichen Anwendungsfälle liegt im Bereich der Herstellung solarer Brennstoffe (solar fuels), deren Ausgangsstoffe H₂ (Wasserstoff) und CO (Kohlenmonoxid) unter Zufuhr von Energie - namentlich Wärme bei hohen Temperaturen - aus H₂O (Wasser) und CO₂ (Kohlendioxid) gebildet werden. Ein Gasgemisch, welches hauptsächlich H₂ und CO - neben weiteren Gasen - enthält, nennt man Synthesegas oder einfach Syngas. Dieses Syngas dient der Herstellung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff-Treibstoffen.

[0003] Bevorzugt wird Syngas durch eine Redoxreaktion gewonnen, sodass der Reaktor wechselweise zwischen einer oberen, der Reduktionstemperatur T_red und einer unteren, der Oxidationstemperatur T_ox, betrieben werden muss.

[0004] I n einer ETH Dissertation No. 21864 «SOLAR THERMOCHEMICAL CO2 AND H2O SPLITTING VIA CERIA REDOX REACTIONS» von Philipp Furier wird ein experimenteller, solarer Cerium-Reaktor beschrieben, mit welchem unter Einstrahlung von konzentriertem Sonnenlicht (2865 Sonnen, d.h. einer thermischen Strahlung von bis zu 2865 kW/m²) Synthesegas herstellbar ist.

[0005] Sonnenlicht in oben erwähnter Konzentration kann auf industrieller Basis beispielsweise mit einem Dish-Konzentrator gemäss der WO 2011/072 410 erzeugt werden, sodass die kommerzielle Produktion von Synthesegas unter Verwendung von erneuerbarer bzw. regenerierbarer Energie realistisch geworden ist. Zudem wird heute zunehmend Sonnenlicht in genügend konzentrierter Form in Solar-Turmkraftwerken erzeugt, wobei jedoch Receiver-Reaktoren in der Regel nicht vorgesehen sind, sondern Wärme erzeugt wird, die als Industriewärme von einem Verbraucher genutzt oder beispielsweise zur Stromerzeugung verwendet wird. Entsprechend erwärmt der Receiver des Trumkraftwerks ein Wärme transportierendes Medium auf eine Temperatur T_o, das vom Verbraucher gekühlt und den Receiver im Kreislauf zur erneuten Erwärmung mit einer Temperatur T_in wieder erreicht.

[0006] In Solar-Turmkraftwerken werden im Wesentlichen räumlich ausgebildete Receiver eingesetzt, die für hohe Temperaturen geeignet sind, wie sie beispielsweise bei einer Konzentration von 500 Sonnen, 1000 Sonnen oder mehr erreicht werden. Solche Temperaturen liegen in der Regel über 800 K, und können in naher Zukunft den Bereich von 1500 K oder mehr erreichen. Solche Receiver können, allerdings in kleinerem Massstab, auch bei Dish-Konzentratoren verwendet werden. Als räumliche Receiver werden vorliegend Receiver bezeichnet, deren Abmessungen in alle drei Dimensionen vergleichbar gross sind, im Gegensatz zu rohrförmigen Receivern, die in Verbindung mit Trough- oder Rinnen -Kollektoren verwendet werden. Solche rohrförmigen Receiver besitzen eine Dimension, die Länge, die ein Vielfaches, im Bereich des Zehn- oder Hundertfachen oder mehr der Querschnittsabmessungen Breite bzw. Höhe beträgt. Receiver für Rinnenkollektoren sind nicht für die oben genannten Temperaturen ausgebildet, da der rinnenförmige Konzentrator in Bezug auf den Receiver in zwei Dimensionen konzentriert, das Feld der Heliostaten bei einem Turmkraftwerk oder ein Dish-Konzentrator jedoch in drei Dimensionen.

[0007] Unter Anderem sind Volumetrische Receiver bekannt, die auch für Solar-Turmkraftwerke geeignet sind, wobei sich in solchen Receivern die geforderten Temperaturen von mehr als 800 K, bis 1300 K, erreichen lassen. Allerdings führen die hohen Betriebstemperaturen zu erheblichem konstruktivem Aufwand.

[0008] Volumetrische Receiver besitzen eine ausgedehnte Absorberstruktur, die beispielsweise aus einem voluminösen Drahtgeflecht oder einem offenporösen Keramikschaum bestehen kann. Die konzentrierte Sonnenstrahlung dringt dann in das Innere der Absorberstruktur ein und wird dort absorbiert. Ein Wärme transportierendes Medium wie Luft wird durch die offenporöse Absorberstruktur hindurch geleitet und nimmt so mittels erzwungener Konvektion an der offenporösen Absorberstruktur Wärme auf. Die Absorberstruktur kann auch aus einer Röhrenstruktur, einer in die Tiefe gestaffelten Gitterstruktur oder einer an sich beliebigen Struktur mit grosser Oberfläche bestehen, welche den konvektiven Wärmeübergang von der Absorberstruktur zum Wärme transportierenden Medium bewirkt, wenn dieses den Absorber durchströmt.

[0009] Ein volumetrischer Receiver ist beispielsweise durch das REFOS Projekt bekannt geworden (Receiver for solarhybrid gas turbine and combined cycle Systems; R. Buck, Μ. Abele, J. Kunberger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert, in Journal de Physique IV France 9 (1999) ). Durch einen Receiver in der Art des gezeigten REFOS Receiver lässt sich eine Austrittstemperatur Tout von 1100 K, mit einem keramischen Absorber von 1300 K erreichen.

[0010] Solche Receiver weisen den Nachteil auf, dass die Absorberstruktur aufwendig herzustellen und die Durchströmung des Absorbers oft instabil ist, insbesondere auf Grund einer sich im Betrieb unerwünscht einstellenden Temperaturverteilung, und dass für die Durchströmung beträchtliche Strömungsverluste in Kauf genommen werden müssen.

[0011] Gemäss der oben erwähnten ETH Dissertation wird in einem ersten, endothermischen Prozessschritt bis zu einer oberen Temperatur von 1800 K Cerium unter Bildung von Sauerstoff reduziert; anschliessend wird das Cerium nach dem Abschluss der Reduktion auf eine untere Temperatur von 1100 K gekühlt und in einem nachfolgenden Prozessschritt das Synthesegas durch exothermisches Reoxidieren produziert; dabei ist jedoch die endothermisch benötigte Wärme für die Produktion des Syngases viel grösser als die durch die Oxidation anfallende exothermische Wärme. Dieser Prozess kann für eine fortlaufende Produktion von Synthesegas zyklisch wiederholt werden; hierfür muss das Cerium konsequenterweise periodisch auf 1800 K erwärmt werden und auf 1100 K abgekühlt werden. Für eine Rekuperation von durch die Abkühlung

CH 714 967 A2 entnommener Wärme wird eine Doppel-Ringkonstruktion eines Cerium-Trägers vorgeschlagen. Zwei gegenläufig drehende, aneinander anliegende Cerium-Ringe mit gemeinsamer Rotationsachse liegen zwischen der warmen Zone (1800 K) und der kalten Zone (1100 K) derart, dass sich ein Abschnitt eines jeden Ringes in der warmen Zone auf einer 12-Uhr-Position und ein gegenüberliegender Abschnitt in der kalten Zone auf einer 6-Uhr-Position befindet. Durch eine gegenläufige Drehung unmittelbar benachbarter Cerium-Ringe wandert der kalte Abschnitt eines ersten Cerium-Rings im Uhrzeigersinn in Richtung der warmen Zone und der warme Abschnitt in Richtung der kalten Zone und bei einem zweiten, sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden Cerium-Ring wandert ebenfalls der kalte Abschnitt in Richtung der warmen Zone und der warme Abschnitt in Richtung der kalten Zone, wobei beide Cerium-Ringe aneinander vorbei streifen und dadurch laufend Wärmenergie tauschen. Entsprechend werden gegenseitig warme Abschnitte gekühlt und kalte Abschnitte erwärmt, was eine Rekuperation einer Wärmemenge ermöglicht. Der Wirkungsgrad der Rekuperation ist jedoch konstruktionsbedingt klein und liegt etwa bei 25%. Die Anforderungen an die Konstruktion und die Standfestigkeit gegenläufig rotierender, aneinander anliegender Cerium-Ringe - Wärmeübergang, Wärmeabstrahlung und mechanischer Aufwand - sind gross. [0012] Ähnliche Probleme, wiesle oben beschrieben sind, ergeben sich auch in anderen Gebieten des Stands der Technik, wenn eine Prozesseinheit auf verschiedenen Temperaturen betrieben werden soll, und die bei der Kühlung entnommene Wärme rekuperiert werden soll.

[0013] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Receiver-Reaktor einfacher Konstruktion mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.

[0014] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder durch einen Receiver-Reaktor mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.

[0015] Dadurch, dass in einem solaren Receiver der Absorber den Reaktor bildet und diesem im Pfad der Sonnenstrahlung ein Absorptionsraum für die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers vorgeschaltet ist, reduzieren sich die Wärmeverluste des Systems ohne weiteren konstruktiven Aufwand massgeblich. Wird weiter als oxidierendes Gas ein die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers absorbierendes Gas verwendet, vereinfacht sich die Konstruktion zusätzlich, da dann der Absorptionsraum zugleich als einfach ausgebildeter Reaktorraum verwendet werden kann und als die Rückstrahlung abschirmende Zone dient.

[0016] Über die gestellte Aufgabe hinaus kann die Wärme der Rückstrahlung für die periodische Erwärmung des Absorbers auf die Reduktionstemperatur und/oder für eine Receiver-Reaktor externe Nutzung vorgesehen werden, wie dies bei konventionellen Receivern der Fall ist.

[0017] Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Solarturmkraftwerk mit einem erfindungsgemässen Receiver-Reaktor,

Fig. 2 schematisch den Aufbau des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors,

Fig. 3a ein Diagramm mit Betriebstemperaturen einer beispielhaften Syngasproduktion eines Receiver-Reaktors gemäss Fig. 2,

Fig. 3b ein Diagramm mit der Temperatur des Absorbers eines Receiver-Reaktors gemäss Fig. 2 in Abhängigkeit der Austrittstemperatur des Wärme transportierenden Fluids,

Fig. 3c ein Diagramm mit der Temperatur des Wärme transportierenden Fluids im Betrieb des Receiver-Reaktors gemäss Fig. 3a,

Fig. 4 schematisch ein modifizierter Receiver-Reaktor für die Verwendung von teilerwärmtem Wärme transportierendem Fluid,

Fig. 5a schematisch noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors mit einem Sekundärabsorber.

Fig. 5b schematisch noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors,

Fig. 5c schematisch noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors.

[0019] Fig. 1 zeigt schematisch ein Solar-Turmkraftwerk 1, mit einem Feld von Heliostaten 2, die auf bekannte Weise Strahlen der Sonne 3 konzentriert auf einen erfindungsgemässen Receiver-Reaktor 4 lenken, der seinerseits auf einem Turm 5 angeordnet ist. Die im Receiver-Reaktor 4 anfallende Wärme wird über ein Wärme transportierendes Fluid mit einer (höheren) Temperatur T_o über eine Leitung 6 zu einem Verbraucher 7 geführt, wo es sich abkühlt und dann über eine Leitung 8 mit einer (tieferen) Temperatur T_in wieder zum Receiver-Reaktor 4 zurückgeführt wird. In einer erfindungsgemässen Ausführungsform werden in der Leitung 6 auch die Reaktionsprodukte des Receiver-Reaktors 4, hier untern

CH 714 967 A2 anderem Syngaskomponenten, in eine Trennstation 9 geführt, wo sie von dem Wärme transportierenden Fluid für die weitere Verwendung getrennt werden.

[0020] Fig. 2 zeigt ein schematisch einen erfindungsgemässen, als räumlichen Receiver ausgebildeten Receiver-Reaktor4, mit einem Erwärmungsbereich 12, dereine optische Öffnung 13, beispielsweise ein Quarzfenster, und einen Absorber 14 aufweist, wobei zwischen dem Quarzfenster 13 und dem Absorber 14 ein Absorptionsraum 15 vorgesehen ist, der von dem Wärme transportierenden Medium den eingezeichneten Pfeilen entsprechend von rechts nach links, d.h. gegen den Absorber 4 hin, durchströmt wird. Dazu weist die Transporteinrichtung 16 um das Quarzfenster 13 herum angeordnete (mit der Leitung 8 verbundene, s. Fig. 1) Einlassstutzen 17 für Wärme transportierendes Medium mit der Temperatur T_in auf, die in den Absorptionsraum 5 führen, und einen zentralen, hinter dem Absorber 4 angeordneten Auslassstutzen 8 für Wärme transportierendes Medium mit der Temperatur T_o (der in die Leitung 6 mündet, s. Fig. 1).

[0021] Der Absorber 14 ist erfindungsgemäss als Reaktorelement ausgebildet, durch welches die dargestellte Anordnung von einem Receiver zu einem Receiver-Reaktor wird, d.h. einer Anordnung, in welcher konzentrierte Sonnenstrahlung beispielsweise aus einem Solar-Turmkraftwerk verwendet wird, um unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen eine chemische Reaktion ablaufen zu lassen, hier bevorzugt die Produktion von Syngas.

[0022] Dazu weist der Absorber 4 ein reduzierbares und oxidierbares Material für einen Reduktionsund einen Oxidationsprozess auf, bevorzugt CeO₂, das bei erhöhter Temperatur reduziert bzw. in Anwesenheit eines oxidierenden Gases oxidiert werden kann. Andere Materialien sind kann der Fachmann für den konkreten Fall festlegen.

[0023] Weiter ist der Absorber 14 erfindungsgemäss als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung ausgebildet, d.h. er besitzt eine im Pfad der einfallenden Sonnenstrahlung 3 angeordnete, diese Strahlung absorbierende Oberfläche 14', die derart ausgebildet ist, dass der Absorber 14 sich auf Grund der auf seine Oberfläche 14' einfallenden Sonnenstrahlung 3 betriebsfähig erhitzt und dann über seine Oberfläche 14' entsprechende Schwarzkörperstrahlung (im Wesentlichen Infrarotstrahlung) in den Absorptionsraum 15 abgibt, s. dazu auch die Beschreibung unten. Der Begriff Schwarzkörperstrahlung wird hier verwendet, um die auf Grund seiner Temperatur vom Absorber 14 abgegebene eigene Strahlung zu bezeichnen, im Gegensatz etwa zu von ihm reflektiertem Sonnenlicht 3. Die Temperatur des Absorbers 14 ist durch die Absorption des Sonnenlichts 3 stark erhöht und kann in einem Bereich von beispielsweise 1000 K bis über 2000 K liegen, je nach der Auslegung des Receiver-Reaktors 4 im konkreten Fall, und je nach den verwendeten Materialien. Prinzipbedingt ist aber der Betriebstemperaturbereich des Receiver-Reaktors nach oben nicht begrenzt, sondern hängt von den gewünschten Temperaturen und den verfügbaren Materialien ab.

[0024] Damit gibt der Absorber 4 seine Wärmeleistung in Form von Schwarzkörperstrahlung (Infrarotstrahlung) in den Absorberraum 15 ab, soweit diese nicht für die endotherme Reaktion der Reduktion und der Bildung von Syngas während der Oxidation konsumiert wird. Wie oben erwähnt, ist die Oxidation mit der Bildung von Syngas in der Summe ebenfalls endotherm. Die entsprechend benötigte Energie wird durch die Sonnenstrahlung 3 zugeführt.

[0025] Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform durchströmt das Wärme transportierende Fluid den Absorber 14, sodass es sich nach der absorptiven Erwärmung im Absorptionsraum 15 ebenfalls konvektiv erwärmt. Es ergibt sich, dass der Absorber für die Durchströmung von Wärme transportierendem Fluid ausgebildet ist und die Oberfläche des durchströmten Bereichs wenigstens teilweise aus reduzierbarem/oxidierbarem Material besteht. Damit wird bei der gezeigten Ausführungsform das absorbierende Gas während dem Reduktionsprozess und während dem Oxidationsprozess durch den Absorber hindurchgeführt, bevorzugt derart, dass es sich konvektiv erwärmt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass einerseits eine Rückstrahlung des Absorbers 14 durch die Öffnung 13 unterbleibt (s. dazu die Beschreibung unten) und andererseits der Absorber 14 soweit für einen konvektiven Wärmeübergang an das Wärme transportierende Medium ausgelegt werden kann, dass er leicht über den Massenstrom des Wärme transportierenden Mediums auf die untere Oxidationstemperatur T_ox gekühlt werden kann (s. dazu die Beschreibung unten) - wobei aber der Absorber 14 immer noch einfach und mit geringen Strömungsverlusten ausgebildet werden kann. In einer nicht in der Figur dargestellten Ausführungsform kann der Fachmann für den konkreten Fall auch vorsehen, das Wärme transportierende Fluid für die Oxidation (d.h. in der Phase des Redox-Zyklus während dem Abfall der Absorbertemperatur) unter Konvektion durch den Absorber zu leiten und für die Reduktion (d.h. in der Phase des Redox-Zyklus während dem Anstieg der Absorbertemperatur) am Absorber vorbei, beispielsweise durch Auslassleitungen 51 ' gemäss Fig. 4). Dann kühlt sich der Absorber für die Oxidation erleichtert ab und erwärmt sich entsprechend erleichtert im Hinblick auf die Reduktionstemperatur.

[0026] Damit besitzt das Wärme transportierende Fluid an den Eingangsstutzen 17 die Temperatur T_in, nach der Absorptiven Erwärmung im Absorptionsraum 15 die Temperatur T_out und nach dem Ausgangsstutzen die etwas höhere Temperatur T_o.

[0027] Bei einer in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform wird das absorbierende Gas nach der Absorption der Rückstrahlung des Absorbers als Wärme transportierendes Fluid aus dem Receiver-Reaktor abgeführt, d.h. vor dem Absorber, der dann bevorzugt wenigstens teilweise eine gasdichte Oberfläche aufweist. Dann, und auch in anderen Ausführungsformen, ist der Absorber bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist.

[0028] Weiter wird als Wärme transportierendes Medium ein Infrarotstrahlung-absorbierendes Gas oder Gasgemisch verwendet, welches die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers 4 während seiner Verweilzeit im Erwärmungsbereich 12 absorbiert und sich im Hinblick auf Tout entsprechend erhitzt. Als infrarot absorbierendes Gas kann ein heteropolares Gas,

CH 714 967 A2 bevorzugt eines oder ein Gemisch der Gase CO₂, Wasserdampf, CH₄, NH₃, CO, SO₂, SO₃, HCl, NO, und NO₂ verwendet werden.

[0029] Bei der Verwendung solcher Gase ergibt sich letztlich ein durch den erfindungsgemässen Receiver-Reaktor nutzbarer bzw. genutzter Treibhauseffekt, da diese Gase für das sichtbare Licht hoch durchsichtig sind, das damit den Absorber im Wesentlichen erreicht, aber für die Infrarotstrahlung des Absorbers wenig bis kaum durchsichtig sind, sodass sie sich also vor dem Absorber absorptiv auf T_out erwärmen. Es sei hier angemerkt, dass reale Gase sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung nicht gleichmässig über alle Frequenzen absorbieren oder für diese durchsichtig sind, sondern vor allem in für ein jeweiliges Gas spezifischen Frequenzbändern unterschiedlich stark. Zusätzlich fällt die Absorption mit dem Abstand von der Strahlungsquelle ab. Dadurch wird oben im Hinblick auf die Absorption bzw. Durchsichtigkeit von Strahlung von «hoch durchsichtig» bzw. von «wenig bis kaum durchsichtig» gesprochen.

[0030] Ein bestimmender Parameter ist damit die Absorptivität a des Wärme transportierenden Gases, die durch Versuche gemessen, aus Spektrallinienwerten von molekülspektroskopischen Datenbanken (z.B. HITEMP2010) berechnet, oder auch näherungsweise aus Emissivitätsdiagrammen nach der Regel von Hottel bestimmt werden kann.

[0031] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass natürlich das Sonnenlicht neben dem sichtbaren Licht, das keine infrarote Frequenzen aufweist, auch solche infraroten Frequenzen besitzt. Diese werden dann erfindungsgemäss direkt durch das Wärme transportierende Fluid im Absorptionsraum absorbiert, deren Energie also im Wesentlichen ohne Verluste genutzt, da die Rückstrahlung durch das nachströmende Fluid wiederum absorbiert wird.

[0032] Schliesslich wird neben der Verwendung eines infrarot absorbierenden Gases oder Gasgemischs der Absorbtionsraum 15 derart ausgebildet und der Massenstrom des Wärme transportierenden Mediums derart festgelegt, dass bevorzugt im Wesentlichen die gesamte Schwarzkörperstrahlung des Absorbers 4 vom Wärme transportierenden Medium absorbiert, d.h. dass die Rückstrahlung des Absorbers 14 durch die Öffnung 13 im Wesentlichen durch das Gas absorbiert wird. Das bedeutet, dass einerseits der Absorptionsraum 15 lang genug ist, und andererseits, dass der Massenstrom genügt, um im Absorptionsraum 15 ein Temperaturprofil derart aufrecht zu erhalten, dass die Temperatur am Ort der Öffnung nur unwesentlich über Tin liegt, was beispielsweise bei einem Stillstand des Wärme transportierenden Fluids nach einer Zeitspanne der Fall wäre. Unwesentlich bedeutet dabei, dass die Strahlungsverluste durch die Öffnung 13 den Wirkungsgrad des Receiver-Reaktors im Wesentlichen nicht beeinträchtigen (der Betrieb kann stets etwas driften, die Sonne nicht gleichmässig strahlen, sodass eine exakte Steuerung des Massenstroms für eine exakte Temperatur an der Öffnung 13 übermässigen Aufwand bedeuten würde).

[0033] Aus dieser Verwendung eines infrarot absorbierenden Gases ergeben sich drei Vorteile:

[0034] Erstens werden erfindungsgemäss Strahlungsverluste durch Rückstrahlung der Schwarzkörperstrahlung aus der optischen Öffnung hinaus vermieden. Diese Rückstrahlung vermindert den Wirkungsgrad eines konventionellen Receivers (und damit eines Receiver-Reaktors) spürbar.

[0035] Zweitens wird die Wärme der Rückstrahlung direkt im Wärme transportierenden Fluid nutzbar und steht für eine flexible Nutzung bereit, s. dazu auch die Beschreibung unten.

[0036] Drittens muss für die Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums auf T_out weder ein konstruktiver Aufwand getrieben, noch entsprechende Strömungsverluste in Kauf genommen werden, wie dies bei konventionellen, überwiegend über die Konvektion arbeitenden Receivern der Fall ist. Die diesbezüglichen Probleme bei volumetrischen Receivern mit räumlich ausgebildeten Absorbern komplizierter Struktur (Konstruktionsaufwand, Strömungsverluste) entfallen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf den Absorptionsraum, da für möglichst intensive Schwarzkörper-Strahlung in den Absorptionsraum hohe Temperaturen des Absorbers, aber auch der Seitenwände des Absorptionsraums vorteilhaft sind, sodass dort Kühlmittel aller Art entfallen, insbesondere Kühlkanäle, wie dies bei Receivern gemäss dem Stand der Technik vorgesehen ist - entweder Kühlkanäle in den Wänden, oder auch die maximale Konvektion sicherstellenden Kühlkanäle im Absorber.

[0037] Bevorzugt sind deshalb die Wände des Absorptionsraums 15 und/oder der Absorber 14 frei sind von Kühlmitteln irgendwelcher Art, insbesondere frei von Kühlkanälen.

[0038] Zwar ist es so, dass das im Bereich der optischen Öffnung 13 vorhandene Wärme transportierende Medium die Temperatur T_in aufweist und damit eine eigene Schwarzkörperstrahlung durch die optische Öffnung hinaus erzeugt. Diese Rückstrahlung ist jedoch gegenüber derjenigen des Absorbers 14 von untergeordneter Bedeutung, da die Schwarzkörperstrahlung mit der 4. Potenz der Temperatur steigt, somit die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers 14 durch die optische Öffnung hindurch relevant höhere Strahlungsverluste erzeugen würde, was jedoch erfindungsgemäss nicht der Fall ist.

[0039] Anhand der aus Simulationen der Anmelderin gebildeten Diagramme in den Fig. 3a bis 3c wird der Betrieb des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors näher beschrieben.

[0040] Der Simulation liegen die folgenden Daten zu Grunde:

[0041] Länge und Durchmesser der Absorptionskammer 15 betragen je 15,96 m. Damit ist eine genügende Länge der Absorptionskammer für die vollständige Absorption der Schwarzköprerstrahlung des Absorbers vorhanden, die auch für eine nur konvektive Erwärmung des Wärme transportierenden Fluids grundsätzlich ausreicht. Der Absorber kann dann beispielsweise als einfache Platte ausgebildet werden, sodass der Receiver-Reaktor als konstruktive low-cost Lösung

CH 714 967 A2 einfach hergestellt werden kann. Dann weist bevorzugt die in den Absorptionsraum strahlende Oberfläche des Absorbers ein reduzierbares/oxidierbares Material auf.

[0042] Der Durchmesser der optischen Öffnung 13 beträgt 11,28 m, die damit geeignet ist, die Strahlung des Felds der Heliostaten 2 (Fig. 1) aufzunehmen, jedoch mit einer Fläche von 100 m² nur halb so gross ist wie der Absorber 14 mit 200 m², sodass auch die Rückstrahlung des Wärme transportierenden Fluids mit der Temperatur T_in entsprechend reduziert ist.

[0043] Der Absorber 14 besteht aus CeO₂, das Gewicht des Receivers-Reaktors ist 1441. Der Strahlungsfluss durch die optische Öffnung 13 beträgt beträgt 1200 kW/m² und an der absorbierenden Oberfläche 14 600 kW/m² (welche gegenüber der Öffnung 13 die doppelte Fläche aufweist).

[0044] Als Wärme transportierendes und infrarot-absorbierendes Fluid wird Wasserdampf verwendet, wobei dessen Temperatur T_in 1000 K beträgt. Diese Temperatur ist beispielhaft für einen dem Receiver-Reaktor zugeordneten industriellen Prozess, der bei beispielsweise 900 K abläuft, s. den Verbraucher 7 von Fig. 1. Die Temperatur T_out des Wasserdampfs am Absorber beträgt 1800 K im Hinblick auf die für die Redox-Reaktion benötigte obere Reduktionstemperatur T_red des Absorbers 14 (s. dazu auch die Beschreibung unten, zu Fig. 3a).

[0045] Die Redox-Reaktion am Reaktor läuft grundsätzlich so ab, dass der Absorber 14 mit steigender Temperatur zunehmend reduziert wird (d.h. er verliert Sauerstoff), wobei das Mass der Reduktion von der Temperatur des Absorbers 14 und dem dort herrschenden Sauerstoffpar-tialdruck abhängt. Für die Reduktion gilt die Gleichung CeO(2-ö_ox) -> CeO(2ôred) + (ôred-ôox)O, da der Absorber 14 den Sauerstoff nicht stöchiometrisch abgibt. Die Reduktion könnte grundsätzlich im Vakuum ablaufen, hier jedoch in Gegenwart von Wasserdampf, welcher die Rückstrahlung des Absorbers 14 durch die optische Öffnung 13 verhindert und den Sauerstoff (δ^-δ_οχ)Ο mit sich aus dem Reaktor-Receiver abführt, beispielsweise zu der Trennstation 9.

[0046] Mit fallender Temperatur wird der Absorber 14 zunehmend oxidiert (d.h. er nimmt Sauerstoff auf), wobei das Mass der Oxidation wiederum von der Temperatur des Absorbers 14 und dem dort herrschenden Sauerstoffpartialdruck abhängt. Sauerstofflieferant ist das Wärme transportierende Fluid, d.h. hier der Wasserdampf (der bei der Reduktion frei gewordene Sauerstoff ist aus dem Receiver-Reaktor abtransportiert worden). Für die Oxidation gilt die Gleichung CeO(2-ô_red) + (ô_redδ_οχ) H₂O -> CeO(2-ô_ox) + (ô_red-ôo_X) H₂, da der Absorber 14 den Sauerstoff nicht stöchiometrisch aufnimmt. Im Ergebnis hat sich H₂, d.h. Wasserstoff gebildet, der wiederum vom Wärme transportierenden Fluid zur Trennstation 9 (Fig. 1) abgeführt, dort abgetrennt und als Syngas bereitgestellt wird.

[0047] Dabei bezeichnet das nicht stöchiometrische δ die Menge des jeweils vom CeO₂ verlorenen Sauerstoffs, also den jeweiligen «Reduktions-» bzw. «Oxidationszustand» welcher, wie erwähnt, vom Sauerstoffpartialdruck und der Temperatur abhängt. Unter dem Aspekt eines konkreten Redoxprozesses liegt ein Reduktionszustand bei einem grösseren δ und ein Oxidationszustand bei einem kleineren δ vor.

[0048] Fig. 3a zeigt ein Diagramm 20 für den Betrieb des Receiver-Reaktors 1 mit den oben angegebenen Daten. Auf der senkrechten Achse ist der Sauerstoffpartialdruck logarithmisch aufgetragen, auf der horizontalen Achse die Temperatur des ein reduzierbares/oxidierbares Material aufweisenden Absorbers 14, der hier aus CeO₂ besteht.

[0049] Für eine Ausführungsform des Redox-Prozesses in einem erfindungsgemässen Receiver-Reaktor wird eine genügende Reduktion des Ceriumoxids (CeO₂) von Δδ = ô_red-ô_ox = 0.06 angenommen, wobei dann δ_οχ = 0,04 und ö_red = 0,1 ist. Die Kurve 21 zeigt, wann in Abhängigkeit von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck ö_red = 0,1 beträgt. Die Kurve 22 zeigt, wann in Abhängigkeit von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck δ_οχ = 0,04 vorliegt. Die Kurve 23 zeigt den Sauerstoffpartialdruck von Wasserdampf wiederum in Abhängigkeit der Temperatur.

[0050] Der Schinttpunkt 24 der Kurven 21 (ö_red = 0,1) und 23 (Wasserdampf) bestimmt die obere Absorbertemperatur T_red für die Reduktion, der Schnittpunkt 25 der Kurven 22 (δ_οχ = 0,04) und 23 (Wasserdampf) die untere Absorbertemperatur T_ox für die Oxidation. Damit zeigt der Pfeil 26 das am Absorber 14 abzufahrende Temperaturintervall für den gewünschten Redox-Prozess, der hier Wasserstoff generiert. Vorteilhafterweise ist dieses Intervall klein, ca. 200 K, da mit der erfindungsgemässen Anordnung ohne Weiteres hohe Betriebstemperaturen gefahren werden können. Es sei hier angemerkt, dass dieses Intervall bei noch höheren Temperaturen zunehmend kleiner wird. Konstruktionsbedingt ist der erfindungsgemässe Receiver-Reaktor grundsätzlich geeignet, in so hohen Temperaturbereichen gefahren zu werden, wie die Temperaturbeständigkeit der vom Fachmann im konkreten Fall ausgewählten Materialien dies zulässt.

[0051] Fig. 3b zeigt ein Diagramm 30 für Steigerung der Temperatur des Absorbers 14 auf die obere Reduktionstemperatur T_red· Auf der horizontalen Achse ist die Temperatur T_out des Wärme transportierenden Fluids, auf der vertikalen Achse die damit erreichbare Temperatur des Absorbers 14 abgetragen.

[0052] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Eingangstemperatur T_in des Wasserdampfs in den Reaktor-Receiver 4 1000 K, s. oben. Die Ausgangstemperatur T_out lässt sich über den Massenstrom des Wärme transportierenden Fluids durch den Absorptionsraum 15 hindurch steuern. Damit zeigt die Kurve 31, dass die obere Temperatur T_red für die Reduktion des Absorbers 14, hier 2058 K (s. das Diagramm 20, Fig. 3a), bei einer Temperatur des Wasserdampfs von T_out von ca. 1750 K erreicht wird. Da das Diagramm einen erst nach langer Zeit erreichten Gleichgewichtszustand zeigt, wird eine Temperatur T_out von ca. 1800 K vorgesehen, um eine industriell verwertbare Zykluszeit zu erreichen.

CH 714 967 A2 [0053] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass für die Senkung der Absorbertemperatur auf T_red eine Erhöhung des Massenstroms genügt, worauf die konvektive Kühlung des Absorbers durch das Wärme transportierende Fluid einsetzt, dabei die absorptive Erwärmung entsprechend sinkt, sodass über die leicht vergrösserte konvektive Kühlung die untere Temperatur T_red erreicht wird, ohne dass das Wärme transportierende Fluid die Temperatur von T_out = ca. 1000 K erreichen muss.

[0054] Fig. 3c schliesslich zeigt ein Diagramm 40, auf dessen horizontaler Achse die Höhe des Receiver-Reaktors 4 aufgetragen ist (der Nullpunkt befindet sich in der optischen Öffnung 13, die maximale Höhe von 15,95 m beim Absorber 14). Auf der vertikalen Achse ist die Temperatur des den Absorptionsraum 15 von der Öffnung 13 bis zum Absorber 14 durchströmenden Wärme transportierenden Fluids (hier Wasserdampf) aufgetragen. Die Kurve 41 zeigt nun die Temperaturabnahme des Wasserdampfs von 1800 K am Ort des Absorbers 14 rückwärts (entgegen der Richtung des Massenstroms) bis zur Öffnung 13, wo die Temperatur bei 1000 K, d.h. bei T_in liegt. Mit anderen Worten ist es so, dass die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers 14 im Fall einer Ausgangstemperatur des Wasserdampfs von 1800 K (obere Reduktionstemperatur T_red) im Wesentlichen vollständig absorbiert ist, d.h. die entsprechenden Wärmeverluste unterbunden sind. Diese vollständige Absorption gilt natürlich auch dann, wenn die Temperatur am Absorber weniger als 1800 K beträgt, was der Fall ist, wenn die Absorbertemperatur gegen die Oxidationstemperatur hin gesenkt wird.

[0055] Mit anderen Worten zeigen die Fig. 3a bis 3c einen proof of concept der oben erwähnten Vorteile des erfindungsgemässen Reaktor-Receivers.

[0056] Es ergibt sich zusammenfassend ein Verfahren Verfahren zur Herstellung von Syngas mit Hilfe von Sonnenstrahlung, bei welchem der Reaktor eins Reciever-Reaktors über eine in diesem vorgesehene Öffnung für Sonnenstrahlung durch die Sonnenstrahlung periodisch für einen Reduktionsprozess bis auf eine obere Reduktionstemperatur erwärmt und danach für einen Oxidationsprozess in Gegenwart eines Oxidationsgases bis auf eine untere Oxidationstemperatur gekühlt wird, wobei das Sonnenlicht durch eine Absorptionskammer hindurch auf einen als Reaktor ausgebildeten Absorber geführt wird, der ein reduzierbares/oxidierbares Material aufweist, und wobei ein die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers absorbierendes Gas durch die Absorptionskammer geleitet und diese derart ausgebildet wird, dass die Rückstrahlung des Absorbers durch die Öffnung im Wesentlichen durch das Gas absorbiert wird. Ein Solarer Receiver-Reaktor mit einer Öffnung für die Strahlung der Sonne, einem im Pfad des einfallenden Lichts angerordneten Absorber und einer Transportanordnung für Wärme transportierendes Fluid, das den Absorber kühlt, ist dabei derart ausgebildet, dass im Pfad des Lichts vor dem Absorber ein Absorptionsraum vorgesehen und die Transportanordnung weiter ausgebildet ist, das Wärme transportierende Fluid durch den Absorptionsraum zu führen, derart, dass es durch die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers erwärmt wird, wobei der Absorber ein reduzierbares/oxidierbares Material für einen Rduktions- und einen Oxidationsprozess und das Wärme transportierende Fluid ein in den Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas aufweist, das so zusammengesetzt und die Transporteinrichtung sowie der Absorberraum derart ausgebildet sind, dass im Betrieb des Reaktors das Wärme transportierende Fluid die Rückstrahlung des Absorbers durch die Öffnung im Wesentlichen absorbiert, und wobei der Receiver-Reaktor derart ausgebildet ist, dass die Temperatur des reduzierbaren/ oxidierbaren Materials des Absorbers wechselweise zwischen einer oberen Temperatur T_red und einer unteren Temperatur T_ox hin- und her gebracht werden kann.

[0057] Fig. 4 zeigt schematisch einen modifizierter Receiver-Reaktor 50 für die Verwendung von teilerwärmtem Wärme transportierendem Fluid.

[0058] Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Receiver-Reaktors 50 in der Art desjenigen von Fig. 2. Die Sonnenstrahlen 4 fallen durch ein Fenster aus beispielsweise Ouarzglas 13 auf den Absorber 14, dessen strahlende Oberfläche 14' das im Absorptionsraum 15 durchströmende Gas erhitzt, wobei dessen Temperatur vom Fenster 13 bis zum Absorber 14 hin zunimmt. Entsprechend kann das Gas über Öffnungen 51 bis 51 ' in der zylindrischen Wand des Receivers 50 bei verschiedenen Temperaturen, die grösser sind als T_in als teilerwärmtes Wärme transportierendes Medium entnommen werden. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Wärme transportierenden Gases an, wobei die Pfeile bei den Öffnungen 51 bis 51' den ansteigenden Temperatur entsprechend länger eingezeichnet sind.

[0059] Alternativ - oder zusammen mit den Öffnungen 51 bis 51 ' kann eine in den Absorptionsraum 15 hineinragende Leitung 53 für das Gas vorgesehen werden, welche dann über Öffnungen 52 bis 52' Gas bei den am Ort der Öffnungen 92 bis 92' herrschenden Temperaturen einspeist, das ebenfalls teilerwärmt ist und eine Temperatur aufweist, die im Innern das Absorptionsraums 15 am Ort der Öffnungen herrscht. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn durch den Receiver-Reaktor 50 ein nachgeschalteter, auf verschiedenen Temperaturstufen ablaufender Prozess mit Wärme versorgt wird. Von diesem Prozess kann dann Wärme transportierendes Gas auf ebenfalls verschiedenen Temperaturen zurück zum Receiver geführt werden, sodass weiter bevorzugt im Bereich der Öffnungen 51 bis 51' und 52 bis 52' weitere Zuleitungen für das Wärme transportierende Gas in den Absorberraum 26 des Receivers 90 hinein vorgesehen werden (die hier zur Entlastung der Figur weggelassen sind).

[0060] Es ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Transportanordnung eine oder mehrere mit einem Absorberraum 26 verbundene Leitungen 51 bis 51 ' und 52 bis 52' für Wärme transportierendes Gas aufweist, die derart angeordnet sind, dass dem Absorberraum 15 teilerwärmtes Gas entnommen und/oder teilerwärmtes Gas an einem Ort zugeführt werden

CH 714 967 A2 kann, an welchem im Wesentlichen die Temperatur des Gases im Absorberraum 15 der Temperatur des teilerwärmten, zugeführten Gases entspricht.

[0061] Solche Zu- und Ableitungen für teilerwärmtes Gas können an einem erfindungsgemässen, absorptiven ReceiverReaktor vorgesehen werden, ohne dass sein Layout, insbesondere der Absorber 14 modifiziert werden muss - ebenso können diese Leitungen benutzt oder stillgelegt werden, ohne dass es auf Grund des unterschiedlichen Wärmetransfers einer konstruktiven Modifikation bedarf.

[0062] Fig. 5a schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors 60. Dargestellt ist ein Schnitt durch einen Receiver-Reaktor 60, der dem Receiver-Reaktor 4 von Fig. 2 entspricht, wobei jedoch der Absorber 61 mit seiner der optischen Öffnung 13 zugewendeten absorbierenden Oberfläche 61 ' einen in den Absorberraum 67 ragenden, bevorzugt plattenförmigen Abschnitt 64 aufweist, der sich in der Mitte des Absorberraums 67 gegen die Öffnung 13 erstreckt und der im Wesentlichen parallel zu der durch die eingezeichneten Pfeile angegebenen Strömungsrichtung des infrarot absorbierenden, Wärme tauschenden Gases ausgerichtet ist. Der Abschnitt 64 absorbiert im Wesentlichen von der absorbierenden Oberfläche 61 ' abgegebene Schwarzkörper ( Infrarotstrahlung, soweit diese noch nicht von dem an ihm entlang strömenden Gas absorbiert worden ist, also insbesondere Strahlung in denjenigen Frequenzbändern, für welche das Gas weniger absorptiv ist (s. die Beschreibung zu den in realen Gasen wirksamen Frequenzbändern oben). Dadurch erwärmt er sich und stellt wiederum eine Schwarzkörper-Strahlungsanordnung dar, die im Ganzen der Temperatur des Abschnitts 54 entsprechenden Schwarzkörper-Frequenzspektrum strahlt und das vorbeiströmende Wärme transportierende Gas seinerseits absorptiv erwärmt. Es ergibt sich eine verbesserte Nutzung derjenigen Frequenzen der Strahlung 55, welche vom Gas nur wenig absorbiert werden, da diese Frequenzen Wärme in den Abschnitt 64 einbringen, der dann seinerseits wiederum in allen (Infrarot-)Frequenzen strahlt. Der Abschnitt 64 stellt einen Sekundärabsorber dar.

[0063] Solch eine Anordnung kann in grösseren Dimensionen, z.B mit einem Durchmesser der Absorberoberfläche 6Γ von 15,96 m und einer Länge des Absorberraums 63 (Absorberoberfläche 51 ' bis optische Öffnung 3) von 15,96 m ausgeführt werden. Dann ist der Receiver 60 geeignet, den Fluss einer grossen Anzahl (oder aller) Heliostaten eines Turmkraftwerks aufzunehmen. Es ergibt sich, dass der Receiver 60 einen Absorptionsraum 67 aufweist und der Absorber 61 mit einem Abschnitt bzw. Sekundärabsorber 64 in diesen Raum hinein ragt, der bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist. Bevorzugt kann dann der Sekundärabsorber 64 wenigstens teilweise ebenfalls mit einem reduzierenden/absorbierenden Material versehen werdem, das aber von demjenigen des Absorbers 62 wenigstens teilweise verschieden sein kann, je nach dem Ort auf dem Sekundärabsorber, wo prinzipbedingt nicht dieselben Temperaturverhältnisse vorliegen wie am Absorber 61.

[0064] Bei einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform kann eine beispielsweise für das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts durchsichtige Glaswand (Borosilikatglas) als Sekundärabsorber vorgesehen werden, die etwa in der Mitte zwischen der Absorberoberfläche 61 ' und der optischen Öffnung 13 parallel zur Absorberoberfläche 61 ' angeordnet ist und Durchgänge, beispielsweise in der Art einer Lochplatte, für das Wärme transportierende Gas aufweist. Wiederum wird die Glaswand durch die Infrarotstrahlung der Absorberoberfläche 61 ', bzw. durch deren noch nicht vom Gas absorbierten Frequenzanteile erwärmt und strahlt selbst in der Art des schwarzen Körpers in beiden Richtungen, nämlich sowohl gegen die optische Öffnung als auch gegen den Absorber. Es ergibt sich erfindungsgemäss ein Receiver, der einen weiteren als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeten Sekundärabsorber in einem vor dem Absorber liegenden Absorptionsraum aufweist, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrahlung des Absorbers erwärmbar ist.

[0065] Fig. 5b zeigt einen weiteren erfindungsgemässen Reaktor-Receiver 70, mit einer optischen Öffnung 13 und einem Absorber 14, wobei der Absorptionsraum 71 sich im Längsschnitt konisch verjüngt und seitlich mündende Zuleitungen 72 für Wärme transportierendes Fluid vorgesehen sind. Ebenso sind seitlich wegführende Ableitungen 73 für das absorptiv erhitzte Wärme transportierende Fluid vorhanden. Weiter ist ein Schieber 75 vorgesehen, der in seiner in der Figur dargestellten Offenstellung aus dem Absorptionsraum 71 herausgezogen ist und den Fluss der Sonnenstrahlung auf den Absorber 14 sowie dessen Schwarzkörperstrahlung in den Absorptionsraum 71 hinein nicht beeinträchtigt. Diese Konfiguration ist für die Reduktion des Absorbers 14, d.h. in der Phase seiner Erwärmung von T_ox bis zu T_red, besonders gut geeignet.

[0066] Wird der Schieber 75 in Geschlossenstellung gebracht, die durch die gestrichelten Linien 77 angedeutet ist, ist der Absorber 14 von der Strahlung der Sonne abgeschirmt, was zu einer schnellen Kühlung des Absorbers 14 in der Oxidationsphase, d.h. von T_red auf T_ox, führt. Dann kann ein oxidierendes Gas, beispielsweise CO₂, durch die Zuleitungen 76 zum Absorber 14 geführt werden, diesen oxidieren und über den Auslassstutzen 8 zur Trennstation 9 (Fig. 1 )geführt werden. Dies hat den Vorteil, dass für den Oxidationsbetrieb ein grösserer Teil des Gases durch den Absorber geführt werden kann, dieser somit schneller abkühlt. Weiter ist vorteilhaft, dass dass die Konzentration des Syngases (hier CO) im zur Trennstation geführten Gas hoch ist, sodass die Trennung effizient vorgenommen werden kann. Zusätzlich kann das oxidierende Gas vom für einen externen Verbraucher 7 (Fig. 1) bestimmten, Wärme transportierenden Fluid durch die Transportanordnung des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors getrennt geführt werden.

[0067] Nach erfolgter Oxidation wird der Schieber (der hier eine Strahlungsschranke darstellt) wieder in Offenstellung gebracht. Es ergibt sich, dass bei einer weiteren Ausführungsform eine Strahlungsschranke vorgesehen ist, die wechselweise im Pfad der Sonnenstrahlung vor den Absorber gebracht und von diesem wieder entfernt werden kann.

CH 714 967 A2 [0068] In einer nicht in den Figuren gezeigten Ausführungsform weist ein Solarkraftwerk wenigstens zwei erfindungsgemässe Reaktoren auf, die im Zyklus der Reduktion und Oxidation gegeneinander versetzt gefahren werden und die SolarReflektoren, bevorzugt Heliostaten, jeweils auf den Reaktor gerichtet werden, der sich in der Reduktionsphase befindet, während der andere Reaktor durch die Solar-Reflektoren nicht beleuchtet wird. Dadurch wird, unabhängig vom jeweiligen Redox-Prozess in den Receiver-Reaktoren ein ständiger Strom aus erwärmtem Wärme transportierendem Fluid und Syngas erzeugt, selbst wenn für die Reduktion und die Oxidation verschiedene Gase (beispielsweise für die Reduktion Wasserdampf und für die Oxidation CO₂) verwendet werden.

[0069] Natürlich kann für die Reduktion Wasserdampf verwendet werden, der gegenüber dem CO₂ einen kleineren Sauerstoffpartialdruck aufweist und deshalb für die Reduktion günstiger ist als Wasserdampf, während für die Oxidation CO₂ vorgesehen werden kann, wenn ein Syngasbestandteil CO hergestellt werden soll. Entsprechend kann der erfindungsgemässe Receiver-Reaktor mit verschiedenen Wärme transportierenden Fluiden betrieben werden, je nachdem, wie diese im konkreten Fall für den Reduktions- oder Oxidationsprozess günstig sind. Es ergibt sich, dass als infrarot absorbierende Gas auch ein oxidierendes Gas, bevorzugt Wasserdampf oder CO₂ verwendet werden kann, bzw. dass die Transportanordnung Leitungen für die Zufuhr von verschiedenen Gasen in den Absorberraum aufweist, bevorzugt derart, dass dem Absorberraum (oder auch dem Raum hinter dem Absorber) für einen Reduktionsprozess ein Gas und für einen Oxidationsprozess ein anderes Gas zugeführt wird.

[0070] Fig. 5c zeigt eine weiteren erfindungsgemässen Reaktor-Receiver 80, mit einer optischen Öffnung 13 und einem Absorber 81 mit einer ringförmigen, aus Segmenten bestehenden Struktur, der in einem Raum 82 für schrittweise Drehung angeordnet ist und diesen vom Absorptionsraum 83 abgrenzt. In den Absorptionsraum 83 münden Zuleitungen für Wärme transportierendes Gas mit der Temperatur T_in, welches nach der Absorption der Schwarzkörperstrahlung des Absorbersegments 84 mit der Temperatur T_out zu diesem und dann durch das Segment 84 hindurch strömt und den Receiver-Reaktor 80 über eine senkrecht zur Zeichnungsebene angeordnete Ableitung 85 verlässt und dann über die Leitung 6 zu einem Verbraucher 7 geführt wird (s. Fig. 1). Das Segment 84 erwärmt sich entsprechend, der Absorber 81 bleibt in dieser Position, bis das Segment 84 die Reduktionstemperatur T_red erreicht hat.

[0071] Gleichzeitig befindet sich das Segment 86 in einem von der Sonnenstrahlung abgeschirmten Bereich 87 des Raums 82, wobei durch die Zuleitung 88 oxidierendes Gas zugeführt wird, welches durch das auf die Oxidationstemperatur T_ox gekühlte Segment 86 strömt und mit dem Syngas beladen über die Auslassleitung 89 zur Trennstation 9 (Fig. 1) gebracht wird. Reduktion und Oxidation finden damit gleichzeitig statt, wobei je nach der Auslegung des Receiver-Reaktors 80 dasselbe Gas oder verschiedene Gase verwendet werden können, dabei aber natürlich im Absorptionsraum 83 ein infrarot absorbierendes Gas, z.B. Wasserdampf vorgesehen ist, während im Raumabschnitt 87 Infrarotabsorption nicht zwingend ist.

[0072] Immer noch gleichzeitig wird im Raumabschnitt 90 über die Leitung 91 ein Wärme transportierendes Fluid zugeführt, welches nach aussen, durch das Segment 92 des Absorbers 81 hindurch strömt, dabei diesen kühlt, sich dabei erwärmt und über den symbolisch als Pfeil angedeuteten Überströmkanal 93 auf die Aussenseite des Segments 94 gelangt, diesen von aussen nach innen durchströmt, dabei diesen erwärmt und selbst abgekühlt wird und schliesslich über die Leitung 95 den Raum 90 verlässt. Die Leitungen 91 und 93 sind hinter dem Raum 82 zusammengeschaltet, sodass sich ein Kreislauf von Wärme transportierendem Fluid durch die Segmente 92 und 94 hindurch ergibt. Dieser Kreislauf dient der Rekuperation der Wärme aus der Kühlung der jeweiligen Absorbersegmente 84, 86, 92, 94 von der Reduktionstemperatur T_red auf die Oxidationstemeratur T_ox. Wird nämlich der Absorber 81 im Uhrzeigersinn (s. den Pfeil 96) um einen Schritt von 90 Grad gedreht, befinden sich das Segment mit der Reduktionstemperatur und das Segment mit der Oxidationstemperatur im Raum 90, wobei durch den Kreislauf über die Leitungen 91, 95 und den Überströmkanal 93 Wärme vom Segment mit der Reduktionstemperatur auf das Segment mit der Oxidationstemperatur übertragen, somit rekuperiert werden kann: die zur Kühlung für die Oxidation des einen Segments abgeführte Wärme wird auf das andere, für die Reduktion zu erwärmende Segment übertragen.

[0073] Auch bei diesem Zyklus wird die Wärme aus der Schwarzkörperstrahlung laufend über die Leitung 85 abgeführt und verwertet.

[0074] Es ergibt sich ein Verfahren, wobei erfindungsgemäss am Absorber eine wärmere Reduktionszone und eine kältere Oxidationszone vorgesehen werden, die periodisch für Erwärmung und Abkühlung dem Absorptionsraum zugewendet und danach von diesem wieder abgewendet werden bzw. ein erfindungsgemässer Receiver-Reaktor, bei welchem bevorzugt der Absorber in Bereiche (Segmente) aufgeteilt ist, die wechselweise betriebsfähig mit dem Absorberraum und mit einer Oxidationszone (Raum 87) in Verbindung gebracht werden können, wobei bevorzugt eine Zwischenzone (Raum 90) für die Rekuperation von Wärme vorgesehen ist. Weiter ergibt sich eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Reciever-Reaktors, bei welcher bevorzugt die Transportanordnung ausgebildet ist, ein oxidierendes Gas dem Absorber auf einer dem Absorptionsraum abgewendeten Seite zuzuführen.

[0075] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass beispielsweise in einer Ausführungsform des Receiver-Reaktors nach Fig. 2 oder 4 die Kühlung beschleunigt werden kann, indem die Heliostaten vom Receiver-Reaktor weggeschwenkt werden. Bevorzugt werden dann wenigstens zwei Receiver-Reaktoren vorgesehen und deren Betrieb derart gesteuert, dass die Heliostaten zyklisch vom einen zum anderen Receiver-Reaktor hin- und her geschwenkt werden, dabei der eine jeweils für die Reduktion erwärmt und der andere für die Oxidation gekühlt wird.

CH 714 967 A2 [0076] Bei einer nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform befindet sich das Wärme transportierende Medium im Absorptionsraum unter Überdruck, mit der Folge, dass sich der Absorptionsraum verkürzt. Dann sind die Transportanordnung und der Absorptionsraum für einen Überdruck des Wärme transportierende Fluid ausgebildet.

Claims (24)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Herstellung von Syngas mit Hilfe von Sonnenstrahlung, bei welchem der Reaktor eines Receiver-Reaktors über eine in diesem vorgesehene Öffnung für Sonnenstrahlung durch die Sonnenstrahlung periodisch für einen Reduktionsprozess bis auf eine obere Reduktionstemperatur erwärmt und danach für einen Oxidationsprozess in Gegenwart eines Oxidationsgases bis auf eine untere Oxidationstemperatur gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenlicht durch eine Absorptionskammer hindurch auf einen als Reaktor ausgebildeten Absorber geführt wird, der ein reduzierbares/oxidierbares Material aufweist, und wobei ein die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers absorbierendes Gas derart durch die Absorptionskammer geleitet und diese derart ausgebildet wird, dass die Rückstrahlung des Absorbers durch die Öffnung im Wesentlichen durch das Gas absorbiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als infrarot absorbierendes Gas ein oxidierendes Gas, bevorzugt Wasserdampf oder CO₂ verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als infrarot absorbierendes Gas ein heteropolares Gas, bevorzugt eines oder ein Gemisch der Gase CO₂, Wasserdampf, CH₄, NH₃, CO, SO₂, SO₃, HCl, NO, und NO₂ verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das absorbierende Gas nach der Absorption der Rückstrahlung des Absorbers als Wärme transportierendes Fluid aus dem Receiver-Reaktor abgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich durch Absorption der Rückstrahlung des Absorbers erwärmtes Gas aus dem Absorberraum entnommen wird, sobald es teilerwärmt ist und/oder ein teilerwärmtes Gas dem Absorberraum zugeführt wird, und wobei die Zufuhr im Absorberraum am jeweiligen Ort stattfindet, wo im Wesentlichen die Temperatur im Absorberraum der Temperatur des teilerwärmten Gases entspricht.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei absorbierendes Gas während dem Reduktionsprozess und/oder während dem Oxidationsprozess durch den Absorber hindurchgeführt wird, bevorzugt derart, dass es sich konvektiv erwärmt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während dem Oxidationsprozess dem Absorber auf einer dem Absorbtionsraum abgewandten Seite ein Oxidationsgas zugeführt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei am Absorber eine wärmere Reduktionszone und eine kältere Oxidationszone vorgesehen werden, die periodisch für Erwärmung und Abkühlung dem Absorptionsraum zugewendet und danach von diesem wieder abgewendet werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als reduzierbares/oxidierbares Material Ceriumdioxid (CeO₂), dotiertes CeO₂, oder Perovskite verwendet werden.
10. 10. Solarer Receiver-Reaktor mit einer Öffnung für die Strahlung der Sonne, einem im Pfad des einfallenden Lichts angerordneten Absorber und einer Transportanordnung für Wärme transportierendes Fluid,, dadurch gekennzeichnet, dass im Pfad des Lichts vor dem Absorber ein Absorptionsraum vorgesehen und die Transportanordnung ausgebildet ist, das Wärme transportierende Fluid durch den Absorptionsraum zu führen, derart, dass es durch die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers erwärmt wird, wobei der Absorber ein reduzierbares/oxidierbares Material für einen Reduktions- und einen Oxidationsprozess und das Wärme transportierende Fluid ein in den Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas aufweist, das so zusammengesetzt und die Transporteinrichtung sowie der Absorberraum derart ausgebildet sind, dass im Betrieb des Reaktors das Wärme transportierende Fluid die Rückstrahlung des Absorbers durch die Öffnung im Wesentlichen absorbiert, und wobei der Receiver-Reaktor derart ausgebildet ist, dass die Temperatur des reduzierbaren/oxidierbaren Materials des Absorbers wechselweise zwischen einer oberen Temperatur T_red und einer unteren Temperatur T_ox hin-und her gebracht werden kann.
11. 11. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei das Gas ein heteropolares Gas ist, bevorzugt eines oder ein Gemisch der Gase CO₂, Wasserdampf, CH₄, NH₃, CO, SO₂, SO₃, HCl, NO, und NO₂.
12. 12. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei die Transportanordnung Leitungen für die Zufuhr von verschiedenen Gasen in den Absorberraum aufweist, bevorzugt derart, dass dem Absorberraum für einen Reduktionsprozess ein Gas und für einen Oxidationsprozess ein anderes Gas zugeführt wird.
13. 13. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei die in den Absorptionsraum strahlende Oberfläche des Absorbers ein reduzierbares/oxidierbares Material aufweist.
14. 14. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei das reduzierbare Material CeO₂, Ceriumdioxid (CeO₂), dotiertes CeO₂, oder Perovskite aufweist.
15. 15. Reaktor nach Anspruch 10, wobei der Absorber für die Durchströmung von Wärme transportierendem Fluid ausgebildet ist und die Oberfläche des durchströmten Bereichs wenigstens teilweise aus reduzierbarem/oxidierbarem Material besteht.

    CH 714 967 A2
16. 16. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei der Absorber wenigstens teilweise eine gasdichte Oberfläche aufweist und bevorzugt plattenförmig, ausgebildet ist.
17. 17. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei die Transportanordnung eine oder mehrere mit einem Absorberraum verbundene Leitungen für Wärme transportierendes Gas aufweist, die derart angeordnet sind, dass dem Absorberraum teilerwärmtes Gas entnommen und/oder teilerwärmtes Gas an einem Ort zugeführt werden kann, an welchem im Wesentlichen die Temperatur des Gases im Absorberraum der Temperatur des teilerwärmten, zugeführten Gases entspricht.
18. 18. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei der Absorber in Bereiche aufgeteilt ist, die wechselweise betriebsfähig mit dem Absorberraum und mit einer Oxidationszone in Verbindung gebracht werden können, wobei bevorzugt eine Zwischenzone für die Rekuperation von Wärme vorgesehen ist.
19. 19. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei die Transportanordnung ausgebildet ist, ein oxidierendes Gas dem Absorber auf einer dem Absorptionsraum abgewendeten Seite zuzuführen.
20. 20. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei eine Strahlungsschranke vorgesehen ist, die wechselweise im Pfad der Sonnenstrahlung vor den Absorber gebracht und von diesem wieder entfernt werden kann.
21. 21. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei die Wände des Absorptionsraums und/oder der Absorber frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanälen.
22. 22. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei die Transportanordnung und der Absorptionsraum für einen Überdruck des Wärme transportierenden Fluid ausgebildet sind.
23. 23. Receiver-Reaktor nach Anspruch 10, wobei im Absorptionsraum ein bevorzugt reduzierbares/oxidierbares Material aufweisender Sekundärabsorber vorgesehen und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Strahlung des Absorbers erwärmbar ist, und im Betrieb über seine eigene Strahlung seinerseits in den Absorberraum wirkt, wobei er bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist und besonders bevorzugt den Absorber im Wesentlichen nicht beschattet.
24. 24. Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei Receiver-Reaktoren nach Anspruch 1 oder Anspruch 11 in einem Solarkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Receiver-Reaktoren im Zyklus der Reduktion und Oxidation gegeneinander versetzt gefahren werden und die Solar-Reflektoren, bevorzugt Heliostaten, jeweils auf den Reaktor gerichtet werden, der sich in der Reduktionsphase befindet, während der andere Reaktor durch die Solar-Reflektoren nicht beleuchtet wird.

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