Größte solarchemische Wasserstoffanlage Wasserspalterei mit Sonnenlicht und Redox-Reaktion

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. 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.

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. Die so erzeugte Wärme kann Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten.

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 1000 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

Im Vergleich zum früheren Aufbau des Reaktionsreaktors sorgt eine zweite Bündelung der Solarstrahlung mit einem innenverspiegelten Trichter dafür, dass nun weniger Wärme abgestrahlt wird und der Wirkungsgrad des Prozesses steigt. 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 einem Kilogramm Wasserstoff pro Woche könnte zum Beispiel ein effizientes Brennstoffzellenfahrzeug über 100 Kilometer weit fahren.

Industrielle Anwendung in zehn Jahren möglich

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

Hintergrund zum Projekt

Koordiniert vom griechischen Forschungsinstitut Aerosol and Particle Technology Laboratory arbeiten in dem internationalen Projekt das DLR, das spanische Forschungsinstitut Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas, 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.