Einen innovativen Speicher für Sonnenenergie wollen Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie und europäische Partner auf Basis von Schwefel entwickeln
So grün kann Schwefel sein
„Mit Sonnenkraftwerken lässt sich sehr effektiv Prozesswärme einfangen. Schwefel könnte der passende Speicher sein, um diese für die grundlastfähige Stromproduktion zu nutzen“, erklärt Professor Dimostenis Trimis vom Engler-Bunte-Institut am KIT. Schwefel und Schwefelsäure wird in vielen industriellen Anwendungen genutzt. Es haben sich bereits etliche chemische Verfahren etabliert, etwa die Vulkanisierung, die Schwefelsäureproduktion selbst bis hin zur Rauchgasentschwefelung.
„Um die Verbrennung von Schwefel als nachhaltige Energiequelle auf Industriemaßstab zu nutzen, steht uns also bereits ein gut gefüllter Werkzeugkasten von Verfahrenstechniken zur Verfügung.“
Solarkraftwerk mit Schwefelspeicher
Das langfristige Ziel des Projekts Pegasus ist die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Solarturmkraftwerks. Dazu wird ein Solarabsorber mit einem thermochemischen Speichersystem für Sonnenenergie auf Grundlage von elementarem Schwefel und Schwefelsäure kombiniert. Die Technologie wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich (STJ) in Deutschland erprobt. Gesamtkoordinator von Pegasus ist das Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR.
Das vom KIT durchgeführte Teilprojekt entwickelt die konkrete technische Umsetzung der Verbrennung. Im Labormmaßstab entsteht ein Schwefelbrenner, der es ermöglicht, in einem Bereich von 10 bis 50 Kilowatt stabile Verbrennungsbedingungen bei hohen Leistungsdichten zu erreichen – bei atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen von über 1400 °C. Insbesondere die Leistungsdichte erlaubt einen effektiven Einsatz von Schwefel als Brennstoff zur Stromproduktion.
„Auch wenn der Begriff Verbrennung oft mit fossilen Technologien verbunden wird, zeigen wir hier, dass Verbrennungstechnologie ein wichtiger Baustein des Energiesystems auch im Kontext der Energiewende ist“, so Professor Trimis.
Der Schwefelkreislauf im Kraftwerk
Der elementare Schwefel entsteht aus der Disproportionation von Schwefeldioxid, also der Umsetzung von Schwefeldioxid in Schwefel und Schwefelsäure. Das fokussierte Sonnenlicht des Sonnenwärmekraftwerkes liefert als Prozesswärme die notwendige Energie und Temperatur, um den Schwefelkreislauf zu schließen und im Beisein der geeigneten Katalysatoren wieder aus Schwefelsäure Schwefeldioxid zu machen. Auch das Verbrennungsprodukt von Schwefel ist Schwefeldioxid.
In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses demonstriert, das detaillierte Gesamtfließschema erstellt und eine Analyse des integrierten Prozesses, der auf fünf Megawatt thermischer Leistung skaliert ist, durchgeführt. Prototypen der Schlüsselkomponenten wie Solarabsorber, Schwefelsäureverdampfer, Schwefeltrioxid-Zersetzer und Schwefelbrenner werden entwickelt und am Solarturmkraftwerk getestet. Ebenso werden die Materialien, die für Wärmeeinfang, -übertrag, -speicher und die als Katalysatoren der chemischen Reaktionen notwendig sind, auf Effizienz und Langzeitstabilität getestet.
Das angestrebte Konzept für Solarturmkraftwerken zeichnet sich durch ein günstiges Wärmespeichermedium aus. Durch die Nutzung der gespeicherten Energiemenge in einem Brenner lassen sich diese Kraftwerke grundlastfähig machen. Dadurch werden ihre Systemkosten langfristig geringer als bei Photovoltaikanlagen eingeschätzt.
