Wie funktionieren Metalloxide wie Ceroxid (CeO2) oder Zinkoxid (ZnO) in solarthermochemischen Zyklen?

Metalloxide wie Ceroxid (CeO2) und Zinkoxid (ZnO) fungieren als regenerative „Redoxmedien“ in Hochtemperatur-Solarkollektoren. Sie arbeiten, indem sie chemisch zwischen zwei Zuständen wechseln: Sie geben Sauerstoff ab, wenn sie intensiver Sonnenwärme ausgesetzt sind, und entziehen dann Wasserdampf oder Kohlendioxid Sauerstoff, um bei Abkühlung Kraftstoff zu produzieren.

Durch die Entkopplung der Sauerstofffreisetzung von der Kraftstoffproduktion lösen diese Materialien die kritische technische Herausforderung der Gastrennung. Dieser zweistufige Prozess ermöglicht die Erzeugung von reinem Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, ohne gefährliche Hochtemperatur-Gasmischungen zu erzeugen.

Der zweistufige thermochemische Zyklus

Die Wirksamkeit von Metalloxiden liegt in ihrer Fähigkeit, reversible Reduktions- und Oxidationsreaktionen einzugehen. Dieser Prozess wandelt solare thermische Energie direkt durch einen spezifischen zweistufigen Mechanismus in chemische Energie um.

Schritt 1: Solarthermische Reduktion

Der Zyklus beginnt damit, dass das Metalloxid in einem Reaktor konzentrierter Sonnenstrahlung ausgesetzt wird. Dies schafft eine extrem hohe Temperaturumgebung.

Unter dieser intensiven Hitze ist das Material gezwungen, einen Teil seiner Sauerstoffatome abzugeben. Dieser Übergang hinterlässt das Metalloxid in einem sauerstoffarmen Zustand und lädt es effektiv mit potenzieller chemischer Energie auf.

Schritt 2: Niedertemperatur-Reoxidation

In der zweiten Phase wird die Temperatur des Reaktors gesenkt. In diesem Stadium werden Reaktantengase – insbesondere Wasserdampf (H2O) oder Kohlendioxid (CO2) – in das System eingeleitet.

Da das Metalloxid sauerstoffarm ist, ist es chemisch instabil und „hungrig“ nach Sauerstoff. Es entzieht dem zugeführten Wasserdampf oder CO2 aggressiv Sauerstoffatome, um in seinen ursprünglichen, stabilen Zustand zurückzukehren.

Die Produktion von synthetischem Kraftstoff

Die Entnahme von Sauerstoff aus den Reaktantengasen ist das, was das endgültige Energieprodukt liefert.

Wenn das Metalloxid Sauerstoff aus Wasserdampf entzieht, bleibt Wasserstoff (H2) zurück. Wenn Kohlendioxid verwendet wird, entsteht Kohlenmonoxid (CO). Das Metalloxid ist nun regeneriert und bereit, den Zyklus erneut zu beginnen.

Verständnis des Kernvorteils

Obwohl die direkte Thermolyse (die direkte Spaltung von Wasser durch Wärme) theoretisch möglich ist, birgt sie erhebliche technische Hürden. Metalloxide werden speziell verwendet, um diese Probleme zu umgehen.

Lösung des Trennungsproblems

Die direkte Wasserspaltung erzeugt gleichzeitig Wasserstoff und Sauerstoff im selben Behälter. Die Trennung dieser beiden Gase bei extrem hohen Temperaturen ist technisch schwierig und aufgrund der Explosionsgefahr gefährlich.

Zeitliche Trennung

Metalloxide ermöglichen eine zeitliche Trennung. Sauerstoff wird im ersten Schritt freigesetzt und Wasserstoff (oder CO) im zweiten Schritt produziert. Da diese Gase zu unterschiedlichen Zeiten produziert werden, ist keine komplexe Hochtemperatur-Membrantrennung erforderlich.

Auswirkungen auf die Kraftstoffproduktion

Bei der Auswahl eines Weges für Solarkraftstoffe bestimmt die Wahl des Reaktantengases Ihr Ergebnis.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Produktion von sauberem Wasserstoff liegt: Leiten Sie während des Reoxidationsschritts Wasserdampf ein, um reinen Wasserstoff für Brennstoffzellen oder den industriellen Einsatz zu produzieren.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf synthetischen Kohlenwasserstoffen liegt: Leiten Sie Kohlendioxid (oder eine Mischung aus CO2 und Wasserdampf) ein, um Kohlenmonoxid oder Synthesegas zu produzieren, die Vorläufer für flüssige synthetische Kraftstoffe sind.

Metalloxide dienen als robuster, wiederverwendbarer chemischer Motor, der intermittierende Sonnenwärme in speicherbare, hochwertige Kraftstoffe umwandelt.

Zusammenfassungstabelle:

Merkmal	Solarthermische Reduktion (Schritt 1)	Reoxidation (Schritt 2)
Energiequelle	Konzentrierte Sonnenwärme	Chemische Reaktion (kühler)
Materialzustand	Wird sauerstoffarm	Kehrt zum stabilen Zustand zurück
Prozess	Gibt Sauerstoff ($O_2$) ab	Entzieht Reaktanten Sauerstoff
Ausgabe	„Aufgeladenes“ Metalloxid	Wasserstoff ($H_2$) oder CO
Hauptvorteil	Energiespeicherung	Gastrennung & Kraftstofferzeugung

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Referenzen

1. Harry L. Tuller. Solar to fuels conversion technologies: a perspective. DOI: 10.1007/s40243-017-0088-2

Dieser Artikel basiert auch auf technischen Informationen von Kintek Solution Wissensdatenbank .