7. Oktober 2016

Fort­schritt in der so­la­ren Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on

So­la­rab­sor­ber
Bild 1/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Solarabsorber

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 re­le­van­tem Maß­stab zu de­mons­trie­ren. Die­ser De­mons­tra­tor be­steht aus drei An­lagen­tei­len, die nach­ein­an­der durch­lau­fen wer­den: 1) In ei­nem elek­trisch be­heiz­ten Ver­damp­fer wird Schwe­fel­säu­re (H2SO4) bei 400 °C in Schwe­fel­tri­oxid (SO3) und Was­ser­dampf um­ge­wan­delt, 2) in ei­nem So­lar­re­cei­ver wer­den die­se Ga­se bei über 1000 °C über­hitzt, 3) in ei­nem adia­ba­ten, mit Ka­ta­ly­sa­tor­ma­te­ri­al (Ei­sen­oxid) ge­füll­ten Re­ak­ti­ons­raum wird SO3 in Schwe­fel­di­oxid (SO2) und Sau­er­stoff um­ge­wan­delt.
Ein­rich­ten des De­mons­tra­tors
Bild 2/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Einrichten des Demonstrators

Im Pro­jekt SOL2HY2 wer­den al­le Schlüs­sel­kom­po­nen­ten des HyS-Pro­zes­ses (z.B. 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.
Spie­gel­feld des So­lar­turms in Jü­lich
Bild 3/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Spiegelfeld des Solarturms in Jülich

Das DLR be­treibt in Jü­lich ein So­lar­turm­kraft­werk als Ver­such­sein­rich­tung.
So­lar­turm Jü­lich
Bild 4/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Solarturm Jülich

Be­strahl­te For­schungs­ebe­ne des Jü­li­cher So­lar­turms.

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

Kontakt
  • Michel Winand
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Köln, Bonn, Jü­lich, Rhein­bach und Sankt Au­gus­tin
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-2144
    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Dennis Thomey
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    In­sti­tut für So­lar­for­schung, So­la­re Ver­fah­rens­tech­nik
    Telefon: +49 2203 601-2936
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