9. Dezember 2021
Forschungsprojekt PEGASUS erfolgreich abgeschlossen

Son­nen­ener­gie in Schwe­fel spei­chern

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Forscher testen den Solarreaktor mit Hilfe der größten künstlichen Sonne der Welt
For­scher tes­ten den So­lar­re­ak­tor mit Hil­fe der größ­ten künst­li­chen Son­ne der Welt
Bild 1/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Forscher testen den Solarreaktor mit Hilfe der größten künstlichen Sonne der Welt

Syn­light ist der DLR Hoch­leis­tungs­strah­ler des In­sti­tuts Fu­ture Fuels und kann mit 149 Strah­lern ei­ne 10.000-fa­che Lichtin­ten­si­tät, wie sie von der Son­ne auf die Er­de scheint, er­zeu­gen.
Schwefelsäurespaltung im Labor
Schwe­fel­säu­re­spal­tung im La­bor
Bild 2/3, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Schwefelsäurespaltung im Labor

Ein Mit­ar­bei­ter des In­sti­tuts für Fu­ture Fuels un­ter­sucht im La­bor die Schwe­fel­säu­re­spal­tung mit hei­ßen Par­ti­keln.
Vereinfachte Darstellung des Schwefelspeicherkreislaufs
Ver­ein­fach­te Dar­stel­lung des Schwe­fel­spei­cher­kreis­laufs
Bild 3/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Vereinfachte Darstellung des Schwefelspeicherkreislaufs

So­lar­ther­mi­sche An­la­gen mit Schwe­fel­pro­duk­ti­on las­sen sich ins­be­son­de­re in son­nen­rei­chen Ge­bie­ten ef­fek­tiv be­trei­ben. Der da­bei ge­won­ne­ne Schwe­fel kann im An­schluss pro­blem­los in son­nenär­me­re Re­gio­nen trans­por­tiert wer­den.
  • Erfolgreicher Test von Schwefel als Speicher für erneuerbare Energie.
  • Solar erhitzte Keramikpartikel liefern Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius.
  • Schwefelkreislauf kann Wirkungsgrad von Solarkraftwerken steigern.
  • Schwerpunkte: Energie, Solarforschung

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat zusammen mit europäischen Forschungspartnern ein Verfahren entwickelt, mit dem sich mit Hilfe von Sonnenenergie aus Schwefel klimaneutral Strom erzeugen lässt. Eine erste Testreihe im Technikumsmaßstab wurde nun erfolgreich abgeschlossen.

Basis des Verfahrens ist ein chemischer Kreislaufprozess. Hierbei wird Schwefel in speziellen Kraftwerksturbinen verbrannt und zu Schwefelsäure umgewandelt. Die Schwefelsäure lässt sich mit Hilfe von Sonnenwärme CO2-frei wieder in reinen Schwefel umwandeln, der erneut als Brennstoff dienen kann.

Warum Schwefel?

Schwefel lässt sich als Brennstoff für Gas- und Dampfturbinen in Kraftwerken nutzen. Zudem ist Schwefel ein vielversprechender Energiespeicher für solarthermische Kraftwerke. Eine Verbindung dieser beiden Kraftwerkstechnologien ist ein weiterer Schritt zur klimaneutralen Stromproduktion.

Schwefel ist aufgrund seiner hohen Energiedichte ein vielversprechendes Speichermedium für solarthermische Kraftwerke. Seine Energiedichte ist 30-mal höher als die von Salzschmelze, die in heutigen solarthermischen Kraftwerken Sonnenenergie als Hochtemperaturwärme aufnimmt, transportiert und speichert. Als Pulver oder in flüssiger Form lässt sich Schwefel leicht transportieren und über lange Zeiträume lagern.

Aufgrund der begrenzten geologischen Vorkommen und sinkender Fördermengen von fossilen Brennstoffen wird es zukünftig wirtschaftlicher, den Schwefel nachhaltig in Kreislaufprozesse einzubinden. In solchen Kreisläufen lässt sich der Schwefel als neuer Brennstoff wieder zurückgewinnen. Wie im Projekt PEGASUS gezeigt, kann diese Rückgewinnung mit Hilfe erneuerbarer Energien erfolgen.

Potential für erneuerbaren Strom rund um die Uhr

Eine solarthermische Anlage kann aus konzentrierter Solarstrahlung die hohen Temperaturen bereitstellen, die für das Spalten von Schwefelsäure erforderlich sind. Die entstehenden Spaltprodukte Schwefeldioxid (SO2) und Wasser (H2O) sind die Ausgangsprodukte, um frischen Schwefel zu gewinnen. Dieser kann entweder gelagert oder in einer Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt werden. Als Brenngas entsteht hierbei wiederum Schwefeldioxid (SO2), welches konventionellen Schwefelsäureanlagen zugeführt wird. Dort entsteht frische Schwefelsäure und eine große Menge Abwärme. Die Abwärme treibt eine Dampfturbine an, die zusätzlichen Strom erzeugt. Die frische Schwefelsäure steht dann erneut der Schwefelsäurespaltung zur Verfügung.

Bei starker Sonneneinstrahlung kann das Schwefel-Kraftwerk sogar einen Überschuss an Schwefel produzieren und ermöglicht so einen Dauerbetrieb des Kraftwerks. Der dabei entstehende Überschuss an Schwefelsäure wird dann später solarthermisch in Schwefel umgewandelt.

Solarthermische Anlagen mit Schwefelproduktion lassen sich insbesondere in sonnenreichen Gebieten effektiv betreiben. Der dabei gewonnene Schwefel kann im Anschluss problemlos in sonnenärmere Regionen transportiert werden.

Pilotbetrieb der Solaranlage im DLR-Hochleistungsstrahler Synlight

Ziel des Projekts PEGASUS ist, den Teilprozess der solaren Schwefelsäurespaltung und den Einsatz von Schwefel als Brennstoff in Gasturbinenkraftwerken zu testen. Um die dafür hohen Temperaturen zu erreichen, kombinierten die Forscher einen neu entwickelten Schwefelsäurespaltungsreaktor mit einem zuvor im DLR entwickelten Solarstrahlungsempfänger mit keramischen Partikeln als Wärmeträger- und Speichermaterial.

Bei einem Partikelreceiver übernehmen kleine Keramikpartikel die Aufnahme und den Transport der eingestrahlten thermischen Leistung, um daraus Strom und industrielle Prozesswärme zu generieren. Die in derzeitigen Solarkraftwerken als Wärmeträgermedium verwendeten Flüssigsalze erreichten nur Temperaturen von ungefähr 550 Grad Celsius. Die heißen Keramikpartikel ermöglichen es Kraftwerksbetreibern, mit deutlich höheren Prozesstemperaturen von über 900 Grad zu arbeiten, was zu höheren Wirkungsgraden und damit geringeren Stromgestehungskosten führt. Für den Demonstrationsbetrieb installierten Wissenschaftler der DLR-Institute für Future Fuels und für Solarforschung eine für den Prozess entwickelte Variante des Partikelreceivers CentRec im Hochleistungsstrahler Synlight in Jülich. Im gleichen Zeitraum untersuchten sie in einem Labor die Integration der Schwefelsäurespaltung in den Schwefel-Kreisprozess.

Aufgrund ihres hohen Innovationsgrads stellten die beiden in PEGASUS untersuchten Teilprozessen hohe Anforderungen an die Forscher. Nie zuvor wurden beispielsweise solar erhitzte Partikel eingesetzt, um Schwefelsäure zu spalten. Auch die Verbrennung von Schwefel bei erhöhtem Druck für die Nutzung in Gasturbinen wurde zuvor noch nicht untersucht. Mit dem Disproportionierungsverfahren befassen sich Forscher des DLR-Instituts für Future Fuels im assoziierten NRW-geförderten Projekt BaSiS.

Partner und Förderung

Das griechische Forschungsinstitut APTL/CERTH lieferte die Katalysatormaterialien für die Schwefelsäurespaltung. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte den Schwefelbrenner für die hohen geforderten Drücke. Die italienische Firma NextChem war für die Prozesssimulation und die technologisch-ökonomische Studie zuständig. Das israelische Unternehmen BrightSource hat das Solarfeld ausgelegt, Beiträge zur Prozesssimulation geliefert und ist zukünftiger Endanwender.

Das Projekt PEGASUS erhielt Fördermittel in Höhe von 4,7 Millionen Euro aus dem Horizon 2020 Programm der europäischen Kommission.

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