DE19952174A1

DE19952174A1 - Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung zur Durchführung von Hochtemperaturprozessen

Info

Publication number: DE19952174A1
Application number: DE19952174A
Authority: DE
Original assignee: HAHM THOMAS
Current assignee: HAHM THOMAS
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-10

Abstract

Beschrieben wird ein Reaktor, der ein Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung ist, mit dem Prozesse im Hochtemperaturbereich durchgeführt werden. Als Absorber der konzentrierten Solarstrahlung wird eine in den Reaktionsraum eingelassene Empfängertauchung verwendet. Der Reaktionsraum, in dem eine endotherme chemische Umsetzung stattfindet, ist gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Die Empfängertauchung überträgt die benötigte Reaktionsenergie an den Reaktionsraum durch Wärmeleitung. Dadurch ist der Energieeintrag unabhängig von den optischen Eigenschaften der im Reaktionsraum verwendeten Medien. Durch diese Form des Energieeintrages und die Abgeschlossenheit des Reaktionsraumes gegenüber der Umgebung weist der beschriebene Reaktor Vorteile gegenüber offenen oder mit einer transparenten Scheibe verschlossenen Reaktoren auf. Hierzu zählen ein höherer Wirkungsgrad, die Möglichkeit, umweltgefährdende und giftige Reaktionen durchführen zu können, sowie eine bessere Regelbarkeit des Prozesses.

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Art von Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung mit einer Empfängertauchung als Kavität, über welche die Energie an den Reaktionsraum mittels Wärme leitung übertragen wird.

Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung werden hauptsächlich für die Erzeugung von elektrischer Energie in Kraftwerksprozessen eingesetzt. Durch die Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung werden Wärmeträgermedien wie Luft, Wasser oder Salzschmelzen erhitzt, die der Erzeugung von elektrischer Energie dienen. Außer diesen rein thermischen Anwendungen gibt es verschiedene Ansätze für die Nutzung konzentrierter Solarstrahlung zur Durchführung von endothermen chemischen Reaktionen. Die für die Durchführung des Prozesses benötigte Reaktionswärme kann sowohl unter ausschließlicher Verwendung von konzentrierter Solar strahlung, als auch in hybrider Form, d. h. durch eine zusätzliche Nutzung fossiler Energieträger, erfolgen.

Prinzipiell kann man zwischen einem direkten und indirekten Energieeintrag in das Reaktions system unterscheiden.

Im Falle eines direkten Energieeintrages wird die konzentrierte Solarstrahlung von den Edukten direkt absorbiert. Für Prozesse, die bei Temperaturen über 1000°C ablaufen, ist diese Art des Energieeintrages in der Regel notwendig. Arbeiten in schmelzflüssigen Medien beschäftigen sich mit dem Einsatz von Salzschmelzen in Fallfilmabsorbern bei Temperaturen von 500-600°C (M. Becker, Solar thermal central Receiver Systems, Band 2, Seite 637-648). Bei diesem Prozess findet keine Reaktion statt, sondern die Energie der Schmelze wird zur Wasserdampferzeugung genutzt. Bei direkt absorbierenden Systemen, in denen giftige oder umweltgefährdende Dämpfe entstehen, ist es notwendig, mit geschlossenen Empfängern zu arbeiten. Das bedeutet, dass die Einstrahlöffnung mit einem strahlungsdurchlässigen Medium verschlossen werden muss. Für Temperaturen von über 1000°C ergeben sich dabei erhebliche werkstofftechnische Probleme. Nach heutigem Stand der Technik ist es noch nicht gelungen, einen Verschluss der Einstrahlöff nung, z. B. durch ein Quarzglasfenster, in einem technisch relevanten Maßstab herzustellen, und im praktischen Betrieb einzusetzen.

Ein auf Direktabsorption basierendes Reaktorkonzept entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Bei dem dort eingesetzten Reaktortyp handelt es sich um einen solar betriebenen Drehrrohrreaktor, der für die Durchführung von Schmelzprozessen und zur Aufarbeitung von Filterstäuben geeignet ist (K. H. Funken, B. Pohlmann, E. Lüpfert, R. Dominik, "Application Of Concentrated Solar Radiation To High Temperature Detoxification And Recycling Processes Of Hazardous Wastes, Solar Energy Vol. 65, No 1, pp. 25-31, 1999).

Bei einem indirekten Energieeintrag in das Reaktionssystem überträgt ein direkt bestrahltes Medium wie z. B. eine Rohr- bzw. Doppelwand die Wärme an die Edukte. Diese Form des Energieeintrages findet Verwendung bei Prozessen, die der Energiegewinnung dienen. Ein Beispiel im Temperaturbereich bis 40°C ist das Beheizen von Schwimmbädern mit Hilfe von schwarzen Kunststoffrohren, die vom Wasser durchflossen werden. Die schwarzen Kunststoff rohre absorbieren die Solarstrahlung und geben die Energie anschließend an das sie durch strömende Wasser ab (M. Kleemann, M. Meliß, "Regenerative Energiequellen", 1993 S. 70-80). Als eine weitere Anwendung für eine indirekte Energiegewinnung im Niedertemperaturbereich wird der Einsatz von Flachkollektoren in der Literatur beschrieben. Der Flachkollektor besteht aus einer schwarzen Platte aus Metall oder Kunststoff, die das Sonnenlicht absorbiert. Unterhalb der Platte befinden sich Rohre, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Das Medium transportiert die Wärme zu einem Nutzungssystem z. B. eine Brauchwasseranlage eines Gebäudes. Für Flachkollektoren gibt es mehrere mögliche Gestaltungsformen (M. Kleemann, M. Meliß, "Regenerative Energiequellen", 1993 S. 70-80).

Im Hochtemperaturbereich sind bisher folgende Anwendungen bekannt:
Das Patent DE 43 29 643 beschreibt eine Erfindung, die einen offenen Empfängerraum für die konzentrierte Solarstrahlung aufweist und gleichzeitig den Ablauf chemischer sowie physika lischer Prozesse in einer geschlossenen Reaktorkammer ermöglicht. Untersuchungen zu diesem Reaktorkonzept haben gezeigt, dass die konvektiven Verluste einen deutlichen Einfluss auf die Temperatur der fluiden Phase haben. Damit ist über die konvektiven Verluste auch ein Einfluss auf den Wirkungsgrad gegeben. Die Reduzierung dieser Verluste bedeutet eine Steigerung des Wirkungsgrades des Reaktors. Weitere Untersuchungen zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Reaktorkonzeptes von den optischen Eigenschaften der eingesetzten Medien. Die Absorptions eigenschaften der Medien sind im allgemeinen temperaturabhängig und haben somit ebenfalls einen maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Regelbarkeit des Reaktors.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Reaktorsystem vor, das auf einem indirekten Energieeintrag beruht. Die konvektiven Verluste werden im Vergleich zum offenen Reaktorsystem reduziert und der Energieeintrag ist unabhängig von den Absorptionseigenschaften der verwendeten Medien. Durch die geschlossene Reaktionskammer kann man auch Prozesse, die unter Bildung von umweltgefährdenden oder giftigen Stoffen ablaufen, durchführen. Der Reaktor kann für Prozesse eingesetzt werden, die im Hochtempera turbereich oberhalb von 1000°C ablaufen.

In Zeichnung 1 ist ein Querschnitt des Reaktors dargestellt. Die konzentrierte Solar strahlung (1) gelangt von oben in die Empfängertauchung (2) z. B. eine Siliciumcarbid-Keramik. Bei der Auswahl des Materials der Empfängertauchung (2) ist auf gute Absorptionseigen schaften, hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Temperaturbeständigkeit zu achten. Die solare Strahlung (1) wird von der Empfängertauchung (2) absorbiert und die absorbierte Energie über Wärmeleitung an den Reaktionsraum (7) weitergeleitet. Der Füllstand im Reaktionsraum (7) ist so zu wählen, dass er unterhalb der Eduktzufuhr (5) liegt. Die Empfängertauchung (2) trennt den Reaktionsraum (7) von der Umgebung ab. Die Erwärmung der Edukte auf Reaktionstemperatur erfolgt indirekt durch den Wärmeübergang von der Außenwand der Empfängertauchung (2) an den Reaktionsraum (7). Die Reaktion kann unter Inertgasatmosphäre (3) stattfinden, die über den Inertgaseingang (4) dem System zugeführt wird. Über das Druckventil (6) wird der Druck im Reaktorraum (7) auf einem konstanten Wert gehalten. Durch das Ventil (6) können entstehende umweltgefährdende oder giftige Gase einer nachgeschalteten Aufarbeitung zugeführt werden. Für die Reaktionsführung kommen sowohl ein Batchbetrieb, als auch eine kontinuierliche Prozessführung in Frage. Der Reaktionsraum (7) wird über die Eduktzufuhr (5) befüllt, während die Reaktionsprodukte über eine Abstichöffnung (8) dem Reaktionsraum (7) entnommen werden können. Eine zusätzliche elektrische oder fossile Beheizung (9) kann im Falle einer für die Durchführung des Prozesses nicht ausreichenden solaren Einstrahlung die benötigte Energie zufuhr gewährleisten.

Claims

1. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum (7) gegenüber der Umgebung mit einer Empfängertauchung (2) als Absorber abgeschlossen ist, die aus einem nicht transparenten Material besteht.

2. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Umsetzung entstehende Stäube und Gase über ein Druckventil (6) aus dem Reaktionsraum (7) abgeführt und das Reaktionsprodukt über eine Abstichöff nung (8) gewonnen werden.

3. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Solarstrahlung die Reaktionsenergie durch fossile Brennstoffe oder eine elektrische Heizung zugeführt wird.