Panorama

03. Dezember 2017 | Von: Gernot Zielonka

Mit Sonnenenergie auf Geschäftsreise

Ist E-Mobilität der Weisheit letzter Schluss oder der Wasserstoffantrieb? Möglicherweise wird die Sonne unser künftiger Energielieferant für Verkehrsmittel wie das Auto, das Flugzeug oder die Bahn. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat aktuell gemeinsam mit internationalen Projektpartnern die bislang größte solarchemische Anlage zur Produktion von Wasserstoff präsentiert. Im Projekt HYDROSOL_Plant haben Wissenschaftler und Industrieunternehmen gemeinsam das Verfahren der direkten Wasserstoffherstellung durch Sonnenstrahlung weiterentwickelt.

Mit verbesserten Materialen und einem neuen Aufbau des Reaktors war es möglich, eine Anlage mit einer Leistung von 750 Kilowatt aufzubauen. Sie 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 Wassersoff herstellen und die Eignung der Materialien untersuchen.

Wasserstoff - wichtiger Energieträger für den Strom- und Verkehrssektor. Wasserstoff hat das Potenzial, den Anteil der erneuerbaren Energien insbesondere im Verkehrs- und Wärmesektor zu erhöhen. Der Energieträger kann z.B. 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.

Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr: "Gerade im Verkehrssektor können Wasserstoffantriebe erheblich zum Klimaschutz beitragen. Das Forschungsprojekt HYDROSOL_Plant ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einer effizienten Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie."

Koordiniert vom griechischen Forschungsinstitut Aerosol and Particle Technology Laboratory (CERTH-CPERI-APTL) arbeiten in dem internationalen Projekt das DLR, das spanische Forschungsinstitut Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), das niederländische Unternehmen HyGear und das griechische Energieversorgungsunternehmen Hellenic Petroleum zusammen. 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.

Effiziente Wasserspaltung mit Sonnenlicht. 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 etwa Nickel-Ferrit oder Ceroxid im Innern eines Reaktors auf 1.400° Celsius. Bei diesen Temperaturen wird das Material chemisch reduziert, d.h. Sauerstoffmoleküle werden freigesetzt und aus dem Reaktor hinaus transportiert. Im zweiten Schritt, der bei 800 bis 1.000 ° C 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 ca. 3 kg Wasserstoff herstellen können.

Dr. Martin Roeb, Projektleiter beim DLR-Institut für Solarforschung: "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. Obwohl sich unsere Arbeiten noch im Bereich der Forschung befinden, können wir bereits die signifikante Menge von 1 kg Wasserstoff pro Woche erzeugen. Damit kann zum Beispiel ein effizientes Brennstoffzellenfahrzeug über 100 km weit fahren."

Industrielle Anwendung in zehn Jahren möglich. Wasserstoff ist eine der wichtigsten Grundchemikalien. Heute wird er hauptsächlich für die Produktion von Dünger und zur Entschwefelung von Rohöl eingesetzt. In Japan sind bereits über 200.000 Brennstoffzellen-Systeme in Gebäuden im Einsatz. Wasserstoff soll dort auch in großen Gaskraftwerken eingesetzt werden, um Strom zu produzieren und so fossile und nukleare Kraftwerke ersetzen. Zudem kann der Einsatz von Wasserstoff bei industriellen Verfahren, wie etwa der Stahlproduktion, zu erheblichen Kohlendioxid-Einsparungen beitragen. 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 10 kg ro Woche. Je nachdem, wie schnell die Entwicklung voranschreitet, kann das Verfahren aber in zehn Jahren bereits zur industriellen Erzeugung von Wasserstoff dienen", glaubt Roeb.

Die generelle Idee zum HYDROSOL-Projekt und seine Machbarkeitsdemonstration wurden bereits mehrfach mit wissenschaftlichen Preisen ausgezeichnet, u.a. 2007 mit dem Descartes-Preis der Europäischen Union und dem Eco Tech Award der Weltausstellung in Tokyo 2005. Quelle: DLR / DMM

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