Forschergruppe nimmt größte Testanlage zur solarthermischen Wasserspaltung in Betrieb

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Quelle: DLR

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat gemeinsam mit internationalen Projektpartnern die bislang größte solarchemische Anlage zur Produktion von Wasserstoff in Betrieb genommen. Das Verfahren der direkten Wasserstoffherstellung durch Sonnenstrahlung haben die Wissenschaftler und Industrieunternehmen im Rahmen des Projekts HYDROSOL_Plant weiterentwickelt. Mit verbesserten Materialen und einem neuen Aufbau des Reaktors sei es möglich gewesen, eine Anlage mit einer Leistung von 750 Kilowatt aufzubauen.

Die neue Testanlage ist damit deutlich leistungsstärker als die vorherige Entwicklungsstufe, die über eine Leistung von 100 kW verfügte. In den kommenden Monaten werden die Wissenschaftler auf der Plataforma Solar in Almería (PSA) im Süden Spaniens im Test- und Demonstrationsbetrieb Wasserstoff herstellen und die Eignung der Materialien untersuchen.

Wasserstoff wird für den Strom- und Verkehrssektor immer wichtiger

Wasserstoff hat das Potenzial, den Anteil der erneuerbaren Energien insbesondere im Verkehrs- und Wärmesektor zu erhöhen. Der Energieträger kann zum Beispiel in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb direkt als Treibstoff getankt werden. Zudem ist er eine Komponente bei der Herstellung von synthetischen Treibstoffen wie Methan, Methanol, Benzin oder Kerosin. Mit erneuerbaren Energien erzeugter Wasserstoff kann somit den Kohlendioxid-Ausstoß im Verkehrs- und Wärmesektor erheblich senken.

Die Wasserstoffherstellung erfolgt direkt mit der Wärmeenergie der Sonne durch eine thermochemische Redox-Reaktion. Dabei wird das Licht der Sonne durch eine Vielzahl von Spiegeln auf einen Brennpunkt konzentriert in dem sehr hohe Temperaturen entstehen. Mit der so erzeugten Wärme kann Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten werden.

Im ersten Teil des Verfahrens heizt die Sonne Redox-Materialien wie zum Beispiel Nickel-Ferrit oder Ceroxid im Innern eines Reaktors auf 1.400 Grad Celsius. Bei diesen Temperaturen wird das Material chemisch reduziert, das heißt Sauerstoffmoleküle werden freigesetzt und aus dem Reaktor hinaus transportiert.

Im zweiten Schritt, der bei 800 bis 1.000 Grad Celsius abläuft, erfolgt die eigentliche Wasserspaltung. Dabei lassen die Forscher Wasserdampf durch den Reaktor strömen, das reduzierte Material nimmt den Sauerstoff des Wassers auf – es wird chemisch oxidiert. Der Sauerstoff verbleibt im Reaktor, während der Energieträger Wasserstoff herausströmt. Ist das Material komplett oxidiert, wird es durch den ersten Prozessschritt wieder regeneriert und der Zyklus beginnt von neuem.

Höherer Wirkungsgrad, längere Haltbarkeit

Aufbauend auf früheren Forschungsprojekten haben die Forscher sowohl den Aufbau des Reaktionsreaktors als auch die Materialien entscheidend weiterentwickelt. Durch eine zweite Bündelung der Solarstrahlung mit einem innenverspiegelten Trichter wird nun weniger Wärme abgestrahlt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Prozesses erhöht. Neu entwickelte Keramikschäume versprechen eine höhere Wasserstoffausbeute sowie eine längere Haltbarkeit. Die Wissenschaftler erwarten, dass sie im Testbetrieb pro Woche zirka drei Kilogramm Wasserstoff herstellen können.

„Mit HYDROSOL_Plant haben wir erstmalig eine Anlage entworfen, die den vollständigen Prozess, von der Erzeugung über die Abtrennung von hochreinem Wasserstoff bis hin zur Speicherung, umfasst“, sagte Martin Roeb, Projektleiter beim DLR-Institut für Solarforschung. „Obwohl sich unsere Arbeiten noch im Bereich der Forschung befinden, können wir bereits die signifikante Menge von einem Kilogramm Wasserstoff pro Woche erzeugen. Damit kann zum Beispiel ein effizientes Brennstoffzellenfahrzeug über 100 Kilometer weit fahren.“

Industrielle Anwendung erst in zehn Jahren möglich

Mit der Marktreife und der kommerziellen Anwendung des Verfahrens rechnen Forscher jedoch erst in einigen Jahren: „Erste Anwendungen können Insellösungen sein, wenn zum Beispiel kein Anschluss an das Elektrizitätsnetz besteht. Dann lohnt sich unser Herstellungsverfahren eventuell bereits ab einer Wasserstoffproduktion von zehn Kilogramm pro Woche“, so Roeb. „Je nachdem, wie schnell die Entwicklung voranschreitet, kann das Verfahren aber in zehn Jahren bereits zur industriellen Erzeugung von Wasserstoff dienen“.

Koordiniert wird das Projekt vom griechischen Forschungsinstitut Aerosol and Particle Technology Laboratory (Certh-Cperi-Aptl). Neben dem DLR sind zudem das spanische Forschungsinstitut Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat), das niederländische Unternehmen HyGear und das griechische Energieversorgungsunternehmen Hellenic Petroleum beteiligt. Das DLR-Institut für Solarforschung ist dabei maßgeblich für die Entwicklung des Solarreaktors, das Anlagen-Lay-out und die Mess- und Regeltechnik verantwortlich. Das Projekt wurde der europäischen Technologieinitiative für Brennstoffzellen und Wasserstoff Initiative (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, FCH 2 JU) gefördert.

 

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