16. Mai 2018
Effiziente Wasserstoffproduktion

DLR-Forscher realisieren erstmals Hochtemperaturelektrolyse mit solarthermisch erzeugtem Dampf

Versuchsaufbau für Mini-Kraftwerk im Labor
Versuchsaufbau für Mini-Kraftwerk im Labor
Bild 1/1, Quelle: DLR (CC-BY 3.0).

Versuchsaufbau für Mini-Kraftwerk im Labor

Der Versuchsaufbau kombiniert eine Hochtemperaturelektrolyse mit einem speziellen Solarwärmeabsorber und Dampferzeuger, von rechts kommt die Strahlung der künstlichen Sonne.

  • DLR-Wissenschaftler haben erstmals erfolgreich eine Hochtemperaturelektrolyse mit solarthermisch erzeugtem Wasserdampf betrieben.
  • Sie zeigen, dass diese Kombination von Technologien technisch machbar ist mit Hilfe ausgeklügelter Regelungstechnik.
  • Der Ansatz ist ein vielversprechender Weg, um Wasserstoff effizient auf regenerativer Basis herzustellen.
  • Schwerpunkt(e): Energie, Future Fuels, Elektrolyse, Solarthermie

Wasserstoff aus regenerativen Ressourcen spielt bei der nachhaltigen Umgestaltung des Energie- und Mobilitätssystems eine entscheidende Rolle. Denn als Energieträger ist er ein Allround-Talent: ob direkt genutzt für saubere Mobilität im Brennstoffzellenfahrzeug, als Speicher für fluktuierende erneuerbare Energien oder als Ausgangbasis, um synthetische Kraftstoffe herzustellen. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben erstmals erfolgreich eine Hochtemperaturelektrolyse mit solarthermisch erzeugtem Wasserdampf betrieben – und so im Labormaßstab einen vielversprechenden Weg zur Herstellung von Wasserstoff auf regenerativer Basis realisiert.

Ausgefeilte Regelungstechnik für erfolgreiche Kopplung

Bei einer Elektrolyse wird Wasser mit Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. "Die Herausforderung bei diesem speziellen Projekt lag darin, die beiden Komponenten, Hochtemperaturelektrolyse und solarthermische Dampferzeugung, zu koppeln. Die Anforderungen an die Steuerungs- und Regelungstechnik sind dabei sehr hoch, weshalb diese Kombination bisher nicht realisiert worden ist", fasst Dr. Günter Schiller, Forscher am DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart, zusammen.

Die Hochtemperaturelektrolyse hat einen sehr hohen Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent. Sie ist damit die effizienteste Art der Wasserstoffproduktion, benötigt allerdings Temperaturen von 700 bis 900 Grad Celsius. Prozesse auf diesem Temperaturniveau sind schwer zu handhaben. Die Niedertemperaturelektrolyse kommt dagegen mit deutlich geringeren Temperaturen von etwa 70 bis 100 Grad aus und hat den Weg in den kommerziellen Markt bereits gefunden. Sie zeichnet sich jedoch durch einen geringeren Wirkungsgrad, der zwischen 60 und 80 Prozent liegt, aus.

Um den für die Elektrolyse benötigten rund 750 Grad heißen Wasserdampf zu erzeugen, nutzten die Wissenschaftler primär Solarwärme sowie die Wärme der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit. Im Sonnensimulator des DLR-Instituts für Solarforschung in Köln fing dazu ein spezieller Solarwärmeabsorber, in der Fachsprache Receiver genannt, die Strahlung einer künstlichen Sonne auf. Das durch den Receiver geleitete Wasser wurde zu Dampf. "Das Schwierige dabei war es, einen möglichst gleichmäßigen und stabilen Dampfstrom zu erzeugen. Denn die Hochtemperaturelektrolyse verträgt keine Schwankungen beim Druck, sonst nehmen die Zellen des Elektrolyse-Stacks Schaden", erklärt Dr. Henrik von Storch vom Institut für Solarforschung in

Der Standort Köln ist Sitz des DLR-Vorstandes, der Zentralverwaltung, des Technologiemarketings als Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie sowie der Qualitäts- und Produktsicherung des DLR. Zudem werden am Standort von rund 1600 Beschäftigten in neun Forschungseinrichtungen die Forschungsfelder Luftfahrt, Raumfahrt, Verkehr, Energie und Sicherheit bearbeitet.

. Auch an dieser Stelle war die Regelungstechnik gefragt, damit das Mini-Wasserstoffkraftwerk zusammengesetzt und im Versuch getestet werden konnte.

Vom Mini-Kraftwerk im Labor zu Konzepten für die Anwendung

Um eine zuverlässige Versorgung mit Wasserdampf auch in Zeitspannen zu garantieren, in denen die Sonne nicht oder nicht intensiv genug scheint, entwickelten die DLR-Energieforscher vom Institut für Technische Thermodynamik zudem ein Konzept für einen entsprechenden Wärmespeicher und realisierten es in einem separaten Teststand.

Erste Simulationen zeigen, dass sich Wasserstoff mit Gesamtwirkungsgraden zwischen 20 und 25 Prozent regenerativ erzeugen lässt, wenn man Hochtemperaturelektrolyse und Solarthermie kombiniert. Die Größe solarthermischer Anlagen lässt sich relativ einfach hochskalieren, Elektrolysesysteme sind modular erweiterbar. Deshalb gehen die Forscher davon aus, dass sehr große Anlagen mit einer Größe von mehr als 100 Megawatt realisierbar sind. Diese können langfristig eine umweltfreundliche Alternative darstellen, um Kraftstoffe regenerativ zu produzieren.

Kontakt
  • Denise Nüssle
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    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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    Telefon: +49 711 6862-8086
    Telefax: +49 711 6862-636
    Pfaffenwaldring  38-40
    70569  Stuttgart
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  • Dr. Günter Schiller

    Institut für Technische Thermodynamik
    Telefon: +49 711 6862-635
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  • Dr.-Ing. Henrik von Storch

    Institut für Solarforschung
    Telefon: +49 2203 601-4173
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