Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben in einem europäischen Kooperationsprojekt ein wichtiges Projekt zur CO2-freien industriellen Herstellung von Wasserstoff abgeschlossen. Am Solarturmdes DLR-Instituts für Solarforschung in Jülich wurde eine Anlage zur Spaltung von Schwefelsäure – einem Schritt der thermochemischen Wasserstofferzeugung - erfolgreich getestet. Die Anlage bildet in ihrer Größe die Brücke zwischen dem Labormaßstab und der industriellen Anwendung.
CO2-freier Energieträger
Wasserstoff, als möglicher Ersatz für fossile Brennstoffe, ist frei von CO2-Emissionen, wenn er aus Wasser mittels erneuerbarer Energie erzeugt wird. Stand der Technik hierzu ist die konventionelle Wasserelektrolyse, die jedoch einen niedrigen Gesamtwirkungsgrad aufweist, da zunächst Strom erzeugt werden muss. Dem gegenüber erfordert die direkte thermische Spaltung von Wasser Temperaturen weit über 2.000 Grad Celsius, um ausreichende Mengen von Wasserstoff zu erzeugen. Daher werden thermochemische Kreisprozesse eingeführt, welche die Prozesstemperatur auf ein technisch handhabbares Niveau von etwa 1.000 Grad Celsius senken.
Der Schwefelsäurehybridprozess (HyS) gilt als eines der aussichtsreichsten Verfahren zur solar-thermochemischen Wasserstofferzeugung aus Wasser, da der zweistufige HyS bei der gleichen Menge an Solarenergie deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen kann als vergleichbare Prozesse. Ein maßgeblicher Teilprozess ist die Schwefelsäurespaltung, die bei technisch handhabbaren Temperaturen unter 1.000 Grad Celsius abläuft und die Einbindung von Solarenergie ermöglicht. Der Stromverbrauch für dieses Verfahren beträgt nur etwa ein Zehntel des Verbrauchs von konventioneller Wasserelektrolyse, sodass der Energiebedarf für die Wasserstoffproduktion deutlich reduziert werden kann. Dies ist für eine industrielle Realisierung der Wasserstofftechnologie von entscheidender Bedeutung.
Im Rahmen des europäischen Projekts SOL2HY2(Solar To Hydrogen Hybrid Cycles) wurde seit Juni 2013 eine Pilotanlage entwickelt, um die solare Spaltung von Schwefelsäure in einem relevanten Maßstab zu demonstrieren. Dieser Demonstrator besteht aus drei Anlagenteilen, die nacheinander durchlaufen werden:
In einem elektrisch beheizten Verdampfer wird Schwefelsäure (H2SO4) bei 400 Grad Celsius in Schwefeltrioxid (SO3) und Wasserdampf umgewandelt. Danach werden diese Gase bei über 1000 Grad Celsius in einem Solarreceiver überhitzt. Schließlich wird Schwefeltrioxid in einem mit Katalysatormaterial (Eisenoxid) gefüllten Reaktionsraum in Schwefeldioxid (SO2) und Sauerstoff umgewandelt.
In dem realen Prozess würde dieses Schwefeldioxid nun mit Wasser elektrochemisch umgesetzt und wieder Schwefelsäure und Wasserstoff erzeugt. Bei der Demonstrationsanlage wurden die Reaktionsdaten aufgezeichnet und an den Projektpartner Aalto Universität Helsinki weitergegeben, die in einem Laboraufbau den Kreisprozess schließen. In der Anlage in Jülich wurden die Gase in einem Abgaswäscher neutralisiert.
"Im Projekt SOL2HY2 haben wir wichtige Erkenntnisse gewonnen, die für die Entwicklung und den Betrieb solarer Großanlagen zur Wasserstoffherstellung von großer Bedeutung sind. Der Schritt aus dem Labor hin zu einer Anlage im Großmaßstab ist ein absoluter Härtetest für die Technologie. Die dabei gesammelten Erfahrungen sind ganz entscheidend für das in Kürze startende Nachfolgeprojekt PEGASUS." sagte Dennis Thomey vom DLR-Institut für Solarforschung.
Internationale Kooperation
Im Projekt SOL2HY2 wurden alle Schlüsselkomponenten des HyS-Prozesses (solare Schwefelsäure-Spaltung, Schwefeldioxid depolarisierte Elektrolyse, Gastrennung, Wärmespeicherung) entwickelt und in relevantem Maßstab demonstriert. Hierzu entwickelt das DLR eine Pilotanlage zur solaren Spaltung von Schwefelsäure in der Größenordnung von 100 kW für den Betrieb auf dem Solarturm in Jülich.
Als Partner waren die folgenden Einrichtungen beteiligt:
• EnginSoft S.p.A., Italien
• Aalto-korkeakoulusäätiö (Aalto University Foundation), Finnland
• Agenzia per le Nuove Tecnologie, l’Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile (ENEA), Italien
• Outotec Corporation, Finnland
• EngiCer SA, Schweiz
• Oy Woikoski AB, Finnland
