Kommerzialisierung von nachhaltiger Energie aus Wasserstoff
Wasserstoff ist eine vielversprechende saubere Energiequelle, die eine Revolution der Energiesysteme bedeuten könnte. Durch die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle wird Strom erzeugt, mit Wasser und Abwärme als einzigen Nebenerzeugnissen. Leider sind viele der Methoden, Wasserstoff zu gewinnen (zum Beispiel aus Methan), nicht emissionsfrei, sodass ein Risiko besteht, die aktuellen Probleme mit dem Klimawandel zu verschärfen. Wasserstoff, der ohne diese schädlichen Emissionen gewonnen wurde, ist als „grüner Wasserstoff“ bekannt. Im EU-finanzierten Projekt HYDROSOL-beyond arbeiteten Forschende daran, eine Reihe vorheriger Projekte zum Abschluss zu bringen und die Kommerzialisierung von nachhaltigem grünem Wasserstoff vorzubereiten. Das Team hat eine Technologie verbessert, an der es seit 20 Jahren arbeitet: Eine innovative Anlage zur Wasserstofferzeugung, in der grüner Wasserstoff mit Sonnenenergie erzeugt wird. „Bei der Technologie wird konzentrierte Sonnenenergie auf einen Reaktor gerichtet, um die hohen Temperaturen zu erreichen, die für eine solarthermochemische Redox-Reaktion notwendig sind – also Wasser zu trennen und solaren Wasserstoff zu erzeugen“, erklärt Souzana Lorentzou, eine Chemieingenieurin am Zentrum für Forschung und Technologie Hellas (CERTH) in Griechenland. Dadurch wird Sonnenenergie effektiv in einem Energieträger gespeichert, der jederzeit und an jedem Ort nach Bedarf eingesetzt werden kann, um laut Lorentzou die zeitlichen und örtlichen Einschränkungen der Sonnenenergie zu umgehen.
Herausforderungen bestimmen und neue Lösungen testen
Die Technologie wird in einer Solaranlage eingesetzt, die aus einem Heliostatenfeld und einem Solarturm besteht, der den konzentrierten Solaranlagen ähnelt, mit denen Strom aus Sonnenenergie gewonnen wird. Der Solarreaktor befindet sich auf dem Solarturm. Mit dem Heliostatenfeld werden die Sonnenstrahlen auf die Öffnung des Reaktors gerichtet und fokussiert. Mit einem zweiten Konzentrator an der Öffnung des Reaktors wird verhindert, dass Sonnenstrahlung verloren geht, und diese weiter konzentriert. Im Rahmen von HYDROSOL-beyond hat das Team einige der Probleme mit dem System erkannt und Lösungen gesucht, darunter die Minimierung von Schutzgas, die Wärmerückgewinnung und die Wasserstofferzeugung mit einem Wirkungsgrad von mehr als 5 % in Feldversuchen. Bei den Aktivitäten ging es hauptsächlich darum, neue Konzepte für die Integration in die bestehende Solarplattform zu entwickeln und Experimente an der Plataforma Solar de Almería in Spanien durchzuführen.
Die Möglichkeiten an der Erzeugungsanlage für grünen Wasserstoff erweitern
Das Team hat im Labormaßstab neue Gitterstrukturen der Redox-Metalloxide erstellt und getestet, mit denen Wasser gespalten und Sauerstoff eingefangen wird. „Diese Strukturen erwiesen sich als langfristig haltbar: Auch nach über 1 100 Zyklen blieb die Wasserstoffausbeute erhalten“, so Lorentzou. Mit einem innovativen Konzept zum Einfangen von Sauerstoff konnte der Verbrauch von Schutzgas erfolgreich im Labormaßstab reduziert werden. In der letzten Projektphase wurde unter anderem ein neuartiger hybrider Keramik-Metall-Wärmetauscher hochskaliert und in die Plattform zur Wärmerückgewinnung integriert. Die Reaktoren und die Optik wurden repariert und verbessert, um den sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Bessere Nutzung der Sonnenenergie
Das Team konnte über das Projekt das Wissen zu betrieblichen Aspekten in einer Solarturmeinrichtung vertiefen und Stärken und Schwächen erkennen. Die Ergebnisse der Wasserstofferzeugung mit Sonnenenergie in anderen Reaktorkonzepten, die unter realen Bedingungen getestet wurden, sind jedoch hinsichtlich der technisch-wirtschaftlichen Rentabilität entmutigend. „Die solarthermochemischen Verfahren sind in der Theorie vielversprechend, aber für den weitreichenden Ansatz müssen erhebliche technische und wirtschaftliche Herausforderungen bewältigt werden“, meint Lorentzou. Sie ergänzt, dass die Ergebnisse aus HYDROSOL-beyond dennoch das Potenzial solarthermochemischer Technologien zeigen, sodass neue Möglichkeiten für eine europäische Führungsposition im Bereich der Solartechnologien mit hohen Temperaturen aufkommen.
Schlüsselbegriffe
HYDROSOL-beyond, Solar, Energie, grüner Wasserstoff, Reaktionen, thermochemisch
