Solarer Wasserstoff

Wissen­schaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR haben in einem europäischen Kooperations­projekt ein wichtiges Projekt zur CO₂-freien indus­triellen Herstellung von Wasser­stoff abgeschlossen. Am Solarturm des DLR-Instituts für Solar­forschung in Jülich wurde eine Anlage zur Spaltung von Schwefelsäure – einem Schritt der thermo­chemischen Wasserstoff­erzeugung - erfolgreich getestet. Die Anlage bildet in ihrer Größe die Brücke zwischen dem Labor­maßstab und der indus­triellen Anwendung.

Wasser­stoff, als möglicher Ersatz für fossile Brenn­stoffe, ist frei von CO₂-Emissionen, wenn er aus Wasser mittels erneuer­barer Energie erzeugt wird. Stand der Technik hierzu ist die konven­tionelle Wasser­elektrolyse, die jedoch einen niedrigen Gesamt­wirkungsgrad aufweist, da zunächst Strom erzeugt werden muss. Dem gegenüber erfordert die direkte thermische Spaltung von Wasser Tempe­raturen weit über 2.000 Grad Celsius, um ausreichende Mengen von Wasser­stoff zu erzeugen. Daher werden thermo­chemische Kreis­prozesse eingeführt, welche die Prozess­temperatur auf ein technisch handhab­bares Niveau von etwa 1.000 Grad Celsius senken.

Der Schwefel­säurehybrid­prozess (HyS) gilt als eines der aussichts­reichsten Verfahren zur solar-thermo­chemischen Wasserstoff­erzeugung aus Wasser, da der zwei­stufige HyS bei der gleichen Menge an Solar­energie deutlich höhere Wirkungs­grade erzielen kann als vergleich­bare Prozesse. Ein maß­geblicher Teil­prozess ist die Schwefel­säure­spaltung, die bei technisch handhab­baren Tempe­raturen unter 1.000 Grad Celsius abläuft und die Einbindung von Solar­energie ermöglicht. Der Strom­verbrauch für dieses Verfahren beträgt nur etwa ein Zehntel des Verbrauchs von konven­tioneller Wasser­elektrolyse, sodass der Energi­ebedarf für die Wasserstoff­produktion deutlich reduziert werden kann. Dies ist für eine indus­trielle Realisierung der Wasserstoff­technologie von entscheidender Bedeutung.

Im Rahmen des euro­päischen Projekts SOL2HY2 (Solar To Hydrogen Hybrid Cycles) wurde seit Juni 2013 eine Pilot­anlage entwickelt, um die solare Spaltung von Schwefel­säure in einem relevanten Maßstab zu demons­trieren. Dieser De­monstrator besteht aus drei Anlagen­teilen, die nach­einander durchlaufen werden. In einem elektrisch beheizten Verdampfer wird Schwefel­säure (H₂SO₄) bei 400 Grad Celsius in Schwefel­trioxid (SO₃) und Wasser­dampf umgewandelt. Danach werden diese Gase bei über 1000 Grad Celsius in einem Solar­receiver überhitzt. Schließlich wird Schwefel­trioxid in einem mit Katalysator­material (Eisenoxid) gefüllten Reaktions­raum in Schwefel­dioxid und Sauerstoff umgewandelt.

In dem realen Prozess würde dieses Schwefel­dioxid nun mit Wasser elektro­chemisch umgesetzt und wieder Schwefel­säure und Wasser­stoff erzeugt. Bei der Demonstrations­anlage wurden die Reaktions­daten aufgezeichnet und an den Projekt­partner Aalto Universität Helsinki weiter­gegeben, die in einem Labor­aufbau den Kreis­prozess schließen. In der Anlage in Jülich wurden die Gase in einem Abgas­wäscher neutra­lisiert. „Im Projekt SOL2HY2 haben wir wichtige Erkennt­nisse gewonnen, die für die Entwicklung und den Betrieb solarer Groß­anlagen zur Wasserstoff­herstellung von großer Bedeutung sind. Der Schritt aus dem Labor hin zu einer Anlage im Groß­maßstab ist ein absoluter Härtetest für die Techno­logie. Die dabei gesammelten Erfahrungen sind ganz entscheidend für das in Kürze startende Nachfolge­projekt PEGASUS.“ sagte Dennis Thomey vom DLR-Institut für Solar­forschung.

Im Projekt SOL2HY2 wurden alle Schlüssel­komponenten des HyS-Prozesses (solare Schwefel­säure-Spaltung, Schwefel­dioxid depola­risierte Elektro­lyse, Gastrennung, Wärme­speicherung) entwickelt und in relev­antem Maßstab demonstriert. Hierzu entwickelt das DLR eine Pilot­anlage zur solaren Spaltung von Schwefel­säure in der Größen­ordnung von 100 kW für den Betrieb auf dem Solarturm in Jülich.

DLR / JOL