Verbesserung und Erprobung von partikelbasierten Solarreaktor-Systemen für die thermochemische Wasserstoff-, Synthesegas- und Ammoniakherstellung
Laufzeit: April 2020 – Juli 2023
Zusammen mit dem US-amerikanischen Partner Sandia National Laboratories verbessern wir ein System aus zwei solaren Vakuum-Partikelreceivern, in denen der erste von zwei Prozessschritten zur thermochemischen Wasserstofferzeugung mit Redoxkreisprozessen durchgeführt wird. Die Partikelreceiver sollen bei zwei unterschiedlichen Vakuumdrücken betrieben und die Drucktrennung zwischen ihnen über ein bewegtes Partikelbett realisiert werden. Ein verbessertes Receiverdesign soll einen stabileren und effizienteren Betrieb ermöglichen. Das System wird im Synlight des DLR in Jülich aufgebaut und getestet.
Wasserstoff wird in vielen Sektoren benötigt, um fossile Energieträger oder fossile Grundstoffe zu ersetzen und so die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Beispielsweise kann er anstelle von Koks als Reduktionsmittel in der Stahlherstellung eingesetzt werden, als Grundstoff für synthetische Kraftstoffe im Schwerlast- und Flugverkehr oder als Grundstoff für die Düngerherstellung (Ammoniaksynthese). Wasserstoff bietet sich auch zur Erzeugung von Hochtemperaturwärme an, zum Beispiel in der Glasindustrie oder als saisonale Speichermöglichkeit im Gebäudebereich. Durch den Einsatz von Wasserstoff lassen sich die Emissionen aber nur reduzieren, wenn der Wasserstoff selbst mit wenig bis gar keinen Treibhausgasemissionen produziert wird.
Blick auf den Versuchsaufbau in einer der Versuchskammern
Im Synlight stehen 149 Hochleistungsstrahler für die Versuchsreihen zur Verfügung.
Dies kann in einem Elektrolyseprozess geschehen, in dem mithilfe von elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, zum Beispiel aus Photovoltaikanlagen, Wasser elektrochemisch gespalten wird. Eine andere Möglichkeit ist, das Wasser thermochemisch mithilfe von Wärmeenergie zu spalten. Die Wärme kann emissionsarm von konzentrierenden Solarsystemen, die das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln bündeln, bereitgestellt werden. Da der Umwandlungsschritt zur elektrischen Energie entfällt, bieten thermochemische Prozesse potentiell hohe Wirkungsgrade.
Das DLR und die Sandia National Laboratories aus den USA versuchen gemeinsam, solche thermochemischen Prozesse weiter zu entwickeln und die erreichbaren Wirkungsgrade auch experimentell zu demonstrieren. In einem 2017 abgeschlossenen Projekt, bei dem weitere amerikanische Partner beteiligt waren, wurde in Albuquerque/New Mexico ein Prototyp zur Wasserstoffproduktion aufgebaut.
In diesem Prototyp werden Metalloxidpartikel (hier Ceroxid, CeO2) mithilfe von konzentriertem Sonnenlicht in einem Solarreaktor auf eine Temperatur von 1.450 Grad Celsius erhitzt und geben dabei Sauerstoff ab, sie werden also reduziert. Um mehr Sauerstoff aus den Metalloxidpartikeln auszutreiben, geschieht dies im Vakuum. Anschließend werden die Partikeln in einen weiteren Reaktor transportiert, in dem sie bei etwa 900 Grad Celsius und Umgebungsdruck in Kontakt mit Wasserdampf kommen. Die reduzierten Partikeln nehmen wieder Sauerstoff auf, nämlich aus den Wassermolekülen im Dampf. So werden die Wassermoleküle gespalten und Wasserstoff entsteht. Die oxidierten Partikel werden wieder dem Solarreaktor zugeführt, um den Kreislauf zu schließen.
Aufbau im Vorgängerprojekt bei Sandia in Albuquerque, New Mexico, USA
Im ersten Prototyp in Albuquerque wurden die Metalloxidpartikel auf über 1.400 Grad Celsius erhitzt und es konnte Wasserstoff hergestellt werden. Im aktuell laufenden Projekt wollen die Forschenden aus DLR und Sandia das im Synlight des DLR in Jülich aufgebaute System weiter verbessern. Es sollen nun zwei Solarreaktoren hintereinander bei verschiedenen Vakuumdrücken betrieben werden, was eine höhere Effizienz des Reduktionsschritts verspricht. Die Drucktrennung zwischen beiden Solarreaktoren soll über ein bewegtes Partikelbett realisiert werden. Ziel ist es, die Solarreaktoren selbst weiter zu verbessern, sodass ein stabilerer und längerer Betrieb möglich ist und weitere Messdaten generiert werden können. Das Projekt wird vom US Department of Energy (DOE) gefördert und endet im Juli 2023.
Geplanter experimenteller Aufbau im aktuellen HESTHY-Projekt
