Von Susan Kraemer. Der Originalartikel erschien auf der Website des Netzwerks SolarPACES.
Heliostate des DLR-Solarkraftwerks in Jülich. Wissenschaftler testen hier solare Prozesse für die Zukunft. ©DLR
Solare Brennstoffe wie Wasserstoff sind potentielle Energieträger der nächsten Generation für eine Welt, die ihre Kohlenstoff-Emissionen begrenzen muss. Grüner Wasserstoff und andere Solartreibstoffe könnten die bisher unverzichtbaren fossilen Brennstoffe im Transportsektor ersetzen: das Schweröl der Containerschiffe, Kerosin in Flugzeugen, Diesel und Benzin im Schwerlastverkehr. Solarer Wasserstoff hat auch das Potential, Erdgas in Kraftwerken und in den vielen industriellen Anwendungen, die Wärme benötigen, abzulösen. Bis jetzt sind für die kommerzielle Herstellung von Wasserstoff fossile Brennstoffe erforderlich, un die Dampfreformierung von Methan (steam methane reforming = SMR) betreiben zu. Wir wissen jedoch, dass die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Wärmeerzeugung mit einem stabilen Klima unvereinbar ist.
Alternativ zu der Verbrennung fossiler Brennstoffe erfolgt die Wärmeerzeugung in diesem Prozess mithilfe eines Solarreaktors. Hierzu richten sich tausende Heliostate nach der Sonne aus und konzentrieren die Strahlung auf den Reaktor. Die Hitze löst mithilfe eines aus einer Metalllegierung bestehenden Katalysators eine chemische Reaktion aus: Methan (CH4) spaltet sich in seine beiden Elemente Wasserstoff und Kohlenstoff. Forscher setzten zuletzt Redox-Materialen wie Ceroxid oder Eisenoxid als Alternative für die Metalllegierung ein. Doch welches ist das effizientere solare Verfahren? Eine kürzlich veröffentlichte Studie zieht einen Vergleich zwischen dem Referenzfall der solaren Reformierung von Methan unter Verwendung einer Metalllegierung und den solaren Redox-Prozessen mit Eisenoxid und Ceroxid.
Solare Redox-Methan-Reformierung versus konventionelle solare Methan-Reformierung
Ein Team des DLR hat kürzlich im International Journal of Hydrogen Energy die Arbeit "Efficiency assessment of solar redox reforming in comparison to conventional reforming" veröffentlicht. Inhalt der Arbeit ist ein Vergleich des solaren Wirkungsgrades zwischen der Redox- und der konventionellen solaren Methan-Reformierung. Das Team erforschte neben der Dampfreformierung von Methan (SMR) auch die Methan-Trockenreformierung (DMR), die anstelle von Wasserdampf CO2 als Basis hat. „Die solare Methan-Trockenreformierung ist in den letzten Jahren von besonderem Forschungsinteresse, weil dieses Verfahren es ermöglicht Kohlendioxid, das aus der Luft abgeschieden wurde, zu nutzen. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu solaren Brennstoffen, die den Kohlenstoffkreislauf schließen. Daran ist die Forschung heutzutage wirklich interessiert. Es wird also viel daran gearbeitet", bemerkte Philipp Holzemer-Zerhusen, einer der Hauptautoren der Studie.
Insgesamt vergleicht die Studie sechs Varianten: solare SMR und solare DMR jeweils mit dem herkömmlichen Katalysator aus einer Metalllegierung oder den Redoxmaterialien Eisenoxid und Ceroxid. Sowohl bei der Dampf- also auch bei der Trockenreformierung entsteht ein Synthesegas aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) als Endprodukt. Das Verhältnis von H2 zu CO ist jedoch unterschiedlich. Während SMR mehr Wasserstoff produziert, hat Synthesegas aus DMR einen höheren Kohlenmonoxidgehalt. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Methan-Reformierung mit einem Metallkatalysator läuft die Produktion von Synthesegas bei der Redox-Reformierung in zwei Stufen ab, was zu zwei getrennten Produktströmen führt. Bei der Redox-Reformierung entsteht also nicht nur ein Synthesegas, das sich in Treibstoff umwandeln lässt, sondern auch wertvoller und sehr reiner Wasserstoff (im Falle von SMR) oder zusätzliches Kohlenmonoxid (im Falle von DMR).
Der Gewinner ist…
Das Forschungsteam fand heraus, dass einer der untersuchten Redox-Prozesse einen höheren Wirkungsgrad erzielte als der entsprechende Referenzprozess mit einem Katalysator aus einer Metalllegierung. Bei den Redox-Reformierungsprozessen erzielte das Verfahren mit Eisenoxid als Redox-Material für die Dampfreformierung von Methan (SMR) das beste Ergebnis: der Wirkungsgrad war hier um einen Prozentpunkt höher als bei der konventionellen Methode. "Wir haben gezeigt, dass die Dampfreformierung von Methan auf der Basis von Eisenoxid-Redox-Kreisprozessen hinsichtlich des Wirkungsgrades mit der konventionellen solaren Reformierungstechnologie konkurrieren kann", sagte Holzemer-Zerhusen. "Wir haben auch gezeigt, dass man Eisenoxid bei deutlich niedrigeren Temperaturen einsetzen kann - was ebenfalls wichtig ist.“
Die niedrigere Temperatur, die bei der Eisenoxidreduktion erforderlich ist, trägt zu dem hohen Effizienzniveau bei. Dies reduziert wiederum die Kosten für das Solarfeld, da ein größeres Solarfeld mit mehr Heliostaten erforderlich ist, um eine höhere Temperatur und eine höhere solare Strahlungsflussdichte am Reaktor zu erzeugen. Außerdem steigen mit höheren Temperaturen auch die Anforderungen an die Reaktorkonstruktion. In der Studie fassten die Autoren die Ergebnisse wie folgt zusammen: "Wir untersuchten einen zweistufigen Redox-Kreisprozess mit Eisenoxid und Ceroxid als Kandidaten für Redox-Materialien. Wir stellten fest, dass die Methan- Dampfreformierung mit Eisenoxid den höchsten Wirkungsgrad eines Redox-Kreisprozesses aufweist. Hier beträgt der Wirkungsgrad 43,5 Prozent bei einer Oxidationstemperatur von 873 Kelvin, einer Reduktionstemperatur von 1190 Kelvin einem Druck von 3 Megapascal und einer solaren Strahlungsflussdichte von 1000 Kilowatt pro Quadratmeter. Hinsichtlich der Effizienz zeigte sich dieser Prozess also mit dem Referenzprozess konkurrenzfähig".
Warum untersuchen Solarforscher Redox-Materialien?
Der Anreiz des Redox-Verfahrens besteht darin, dass es in Zukunft wirtschaftlich rentabel sein könnte, Wasserstoff oder die verschiedenen Kohlenwasserstoff-Brennstoffe ganz ohne fossile Rohstoffe herzustellen. Redox-Materialien machen es möglich, den Wasserstoff direkt aus Wasser abzuspalten, statt aus Methan, und Kohlenmonoxid direkt aus CO2 in der Luft zu gewinnen, um daraus Solarbrennstoffe herzustellen. Holzemer-Zerhusen glaubt, dass die Redox-Reformierung als eine Übergangstechnologie hin zu CO2-neutralen Redox-Kreisprozessen eine wichtige Rolle spielen kann. Startups wie Carbon Engineering und Climeworks haben damit begonnen, das Abscheiden von CO2 aus der Luft kommerziell verfügbar zu machen – und ebnen damit der Herstellung CO2-neutraler Solarbrennstoffe den Weg.
Ceroxid ist eines der am weitesten verbreiteten Redoxmaterialien, das Forschende im DLR auf ihre Eignung zur Produktion von solarem Synthesegas untersuchen. Es besitzt die Eigenschaft, eine bestimmte Menge seines Sauerstoffs freisetzen zu können und dann in seinem reduzierten Zustand Wasser und Kohlendioxid zu spalten. Daher ist das Ergebnis der Studie überraschend, dass Ceroxid als Redoxmaterial für die solare Redox-SMR in Bezug auf den Wirkungsgrad schlechter als Eisenoxid abschneidet. Es gibt jedoch auch einen Grund, Ceroxid als Redox-Material bei der Dampfreformierung von Methan (SMR) zu wählen: Da nur minimale CO2-Verunreinigungen im Synthesegas auftreten, ist die Produktqualität höher. Redox-SMR mit Eisenoxid hat zwar einen besseren Wirkungsgrad, enthält jedoch CO2-Verunreinigungen. Daraus resultiert ein Synthesegas, das als Ausgangsstoff für die Herstellung von Flüssigbrennstoff weniger geeignet ist. Wenn nun der Wirkungsgrad für SMR mit Eisenoxid am höchsten ist - was ist wichtiger: die Reinheit des Synthesegasprodukts oder der Wirkungsgrad? "Das kommt darauf an, wen man fragt", sagte Holzemer-Zerhusen. "Jemand, der ein Synthesegas kaufen möchte, interessiert sich besonders für die Produktqualität. Jemand, der nach dem wirtschaftlich wettbewerbsfähigsten Verfahren sucht, setzt einen Fokus auf den solaren Wirkungsgrad.“ Und sowohl Verfahren mit Ceroxid als auch solche mit auch Eisenoxid können hochreinen Wasserstoff erzeugen.
Übersetzung: Johanna Guttenberger, Institut für Solarforschung