Das Bild zeigt den Einsatz von thermoelektrischen Generator-Modulen zwischen einer Wärmequelle (rot) und einer Wärmesenke (blau) zur direkten Wandlung des Wärmestroms in elektrische Energie.
Erneuerbare Energien in industrielle Prozesse einzubinden ist ein elementarer Schritt zur Eindämmung von Treibhausgasemissionen. Dabei stellt sich nicht nur die Frage, wie jeder einzelne Prozess gestaltet werden kann, um dieses Ziel zu erreichen, sondern auch, welche Möglichkeiten es gibt, Prozesse zu koppeln, um Energie- und Stoffströme ressourcenschonend zu nutzen. So lassen sich die Wirkungsgrade erhöhen und Abfallmengen verringern. Doch welche Chancen und Herausforderungen ergeben sich für neuartige Prozesse, die auf erneuerbaren Energien basieren?
Diese und damit verbundene Fragen wollen Forschende des DLR mit ihren Untersuchungen im Projekt SOLINT beantworten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Themen Bergbau, solare Grund- und Brennstoffproduktion, photoelektrochemische Brennstoff-, Strom- und Wärmeerzeugung und nachhaltige Düngemittelproduktion.
CO2 sinnvoll nutzen
Die Abscheidung von CO2 aus der Luft und industriellen Emissionen wird eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf treibhausgasneutrale Industrieprozesse spielen. Dieser technologische Ansatz ermöglicht es, CO2 als Rohstoff zu nutzen und so CO2-neutrale Prozesse zu betreiben oder CO2 als negative Emissionen zu speichern. Da Kohlenstoff ein entscheidender Baustein heutiger und zukünftiger Chemikalien und Kraftstoffe sein wird, muss er auf nachhaltige Weise gewonnen und verarbeitet werden. Zu diesem Zweck werden innovative Materialien zur CO2-Abscheidung bewertet und ihre Einbindung in einen Kreislauf untersucht.
Ein Schwerpunkt wird auch auf der Nutzung von Abfallstoffen zur Kohlenstoffabscheidung liegen, zum Beispiel aus dem Bergbau oder der Stahlindustrie. Die vielversprechendsten Kohlenstoffabscheidungsmaterialien werden mit Produktionsprozessen für kohlenstoffbasierte Brennstoffe und Chemikalien gekoppelt und die gesamte Prozesskette wird technisch-wirtschaftlich analysiert. Derartige Bewertungen werden dazu beitragen, Entscheidungen über die Auswahl der richtigen Technologie zu treffen und eine bessere Prozessintegration zu entwickeln.
Erneuerbare Wärme für Industrieprozesse
Ein wichtiger Schritt um zu identifizieren, welche Hochtemperaturprozesse für die Nutzung erneuerbarer Wärme geeignet sind, ist deren systematische Bewertung. Auf dieser Grundlage können Industrien und globale Standorte identifiziert werden, an denen Technologien wie die konzentrierende Solarenergie nachhaltig und wirtschaftlich rentabel eingesetzt werden können. Dies ist ein Teil des SOLINT-Projekts, in dem auch Parameter wie die Kosten für erneuerbare Wärme und die Verringerung der CO2-Emissionen bestimmt werden sollen.
Gesteigerter Gesamtprozesswirkungsgrad bei der Wasserstoff-Produktion
Im Rahmen der laufenden Energiewende nimmt die Produktion von sogenanntem grünem Wasserstoff eine zunehmend relevante Rolle ein. Dem Energieträger Wasserstoff kann in vielen Industriebereichen eine entscheidende Rolle zukommen, da er sich als Brennstoff und als saisonaler Energiespeicher für erneuerbare Energien eignet. Als alternativen Herstellungspfad zur emissionsintensiven Erdgasreformierung, die nach wie vor die vorherrschende Technologie ist, befassen sich DLR-Forschende im Projekt SOLINT mit der solar-elektrochemischen Produktion von Wasserstoff.
Hierbei wird in einer mit konzentrierter Solarstrahlung betriebenen Photovoltaik-Zelle Strom produziert. Dieser wird in eine Elektrolyse-Zelle geleitet, wo Wasser elektrochemisch zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Bei dieser Art der solaren Brennstoffherstellung produzieren die beiden gekoppelten Zellen Abwärme. Der Fokus der im Rahmen von SOLINT durchgeführten Arbeiten liegt auf der Integration von weiteren Prozessen, um die Abwärme zu nutzen und so das Sonnenlicht möglichst vollständig zu verwerten. Im Projekt werden verschiedene thermisch gekoppelte solar-elektrochemische Systeme einander gegenübergestellt, bewertet und modelliert. Das vielversprechendste Konzept wird im Anschluss im Demonstrationsmaßstab praktisch umgesetzt und am DLR-Standort Köln-Porz mithilfe des Teststandes SoCRatus und des Hochleistungsstrahlers experimentell erprobt.
Der SoCRatus-Teststand am DLR-Standort Köln-Porz
Die Anlage wurde für die experimentelle Untersuchung photokatalytischer und photoelektrochemischer Systeme unter konzentrierter Solarstrahlung entwickelt.
Die thermisch gekoppelte solar-elektrochemische Produktion von Wasserstoff strebt eine Maximierung des Gesamtwirkungsgrades an, welche die industrielle Implementierung von grünem Wasserstoff als Brennstoff und Energiespeicher in sonnenreichen Regionen vorantreiben soll.
Grüne Düngemittel
Ein weiteres in SOLINT untersuchtes Thema ist die Düngemittelproduktion. Synthetisch hergestellte Dünger sichern die Ernährung der Weltbevölkerung. Leider ist die Herstellung dieser Düngemittel ein sehr energieintensiver Prozess und verursacht jedes Jahr große Mengen an CO2-Emissionen. Aus diesem Grund analysieren wir verschiedene Düngemittelproduktionswege und bewerten, wo Synergieeffekte mit anderen Prozessen genutzt werden können und wo eine Integration solarer Prozesswärme und eine möglichst CO2-freie Prozessführung möglich und sinnvoll sind. Dabei wird die gesamte Produktionskette betrachtet. Analytische Betrachtungen werden dabei durch Laborexperimente ergänzt.
SOLINT hat sich die Aufgabe gesetzt, am Beispiel wichtiger Industrieprozesse qualitativ und quantitativ aufzuzeigen, wie Prozesse gestaltet und miteinander gekoppelt werden können, um Energie- und Produktströme in Bezug auf die Rohstoffbasis und auf die benötigte Primärenergie optimal zu nutzen. Stoffe, die in einem Prozess als Nebenprodukt entstehen, können wertvolle Rohstoffe für andere Prozesse darstellen. Abwärme, die in einem Prozess anfällt, kann in anderen Prozessen genutzt werden. Derartige Synergieeffekte werden im Rahmen des Projekts von Forschenden des DLR identifiziert, um nachhaltige Produktionspfade zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, steht auch die Integration von Solarstrahlung als umweltfreundlicher Energieträger im Fokus der Arbeiten.
Globales Potential von solar betriebenem Aluminium-Recycling
Die Karte zeigt zum einen an, wie sich die Direkt-Normalstrahlung global verteilt. Dies ist die Menge an Sonnenlicht, die unbewölkt zur Verfügung steht und für konzentrierte Solartechnologien genutzt werden könnte – je höher der Wert, umso besser. Die Einheit kWh/m²/a ergibt sich dadurch, dass die Leistung des Sonnenlichts auf der Erdoberfläche (bis zu ca. 1 kW/m²) mit den Sonnenstunden im Jahr multipliziert wird. Dies ergibt dann beispielsweise für den Norden Chiles mit über 3.000 Sonnenstunden einen maximalen Wert von 3.800 kWh/m²/a. Die grünen Punkte deuten die Orte an, an denen Aluminium recycelt wird oder Aluminiumabfälle lagern – sogenanntes sekundäres Aluminium. Aus der Kombination von Orten mit hoher Direkt-Normalstrahlung und sekundärem Aluminium ergeben sich vielversprechende Kandidaten für die Nutzung von konzentrierter Solarstrahlung zum Recycling von Aluminium (bei circa 700 Grad Celsius).
Teststand zur thermochemischen Erzeugung von reinem Stickstoff
Am Standort Köln-Porz wird ein handelsüblicher Stickstoffgenerator mit einem thermochemischen Reaktor gekoppelt, um energieeffizient reinen Stickstoff mit weniger als 10 ppm Sauerstoff zu produzieren. Der Stickstoffgenerator reinigt Luft auf ein Prozent Restsauerstoffgehalt in Stickstoff vor und der thermochemische Reaktor nutzt die Redoxreaktion eines Metalloxides zur weiteren Aufreinigung des Stickstoffstroms. Stickstoff dient vor allem in der Düngemittelproduktion als wichtiger Ausgangsstoff.
