Solarthermische Verfahren zur Wasserstofferzeugung Dr. Christian Sattler DLR - Institut für Technische Thermodynamik So

1. Solarthermische Verfahren zur WasserstofferzeugungDr. Christian SattlerDLR - Institut für Technische Thermodynamik Solarforschung

2. Überblick • Energieforschung im DLR • Konzentrierende Solar Systeme • Solarthermische Wasserstoffproduktion • Aus kohlenstoff-haltigen Rohstoffen • Aus Wasser • Ausblick PS10+20, Sanlucar la Mayor, Spanien

3. Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Raumfahrt-Agentur der Bundesrepublik Deutschland

4. Mitwirkung in der Helmholtz-Gemeinschaft • Erfolg in der programmorientierten Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft • Mehrwert aus der Unterstützung der Helmholtz-Gemeinschaft • Mitgestaltung des Organisationsentwicklungsprozesses

5. Standorte und Mitarbeiter nHamburg 6.200 Mitarbeiter arbeiten in 29 Forschungsinstituten und Einrichtungen in n 13 Standorten. Büros in Almería, Brüssel, Paris und Washington Permanente DelegationPlataforma Solar de Almería Bremen- n nNeustrelitz Trauen n Berlin- n Braunschweign nGöttingen nKöln nBonn nLampoldshausen nStuttgart nOberpfaffenhofen Weilheimn

6. Gesamtbudget 2007 IST 1.280 Mio.€ (Plan 2009: 1.450 Mio.€)

7. Prozentualer Anteil der Geschäftsfelder an den Gesamterträgen Forschung und Entwicklung 2007 • Weltraum • Luftfahrt • Verkehr • Energie

8. Energie

9. Programmthemen der Energieforschung • Effiziente und umweltverträg-liche „fossile“ Kraftwerke (Turbomaschinen, Brenn-kammern, Wärmeübertrager) • Solarthermische Kraftwerkstechnik, Solare Stoffumwandlung • Thermische sowie chemische Energiespeicher • Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen • Systemanalyse und Technikbewertung

10. Brennstoffzelle Kraftwerkstechnik KonzentrierendeSolarsysteme Systemanalyse und Technologiebewertung Material Verbrennung Turbomaschinen Herstellungsverfahren Rationelle Energieum-wandlung Wärmemanagement System Gasturbine Wärmeübertrager Hybridkraftwerk Solare Gasturbine Brennstoffzelle mit alternativen Brennstoffen Solare Gasturbine Wärmespeicher Erneuerbare Energien Solare Wasserstoff-herstellung Gasturbine mit alternativenBrennstoffen Solare Kraftwerke Solare Prozesswärme Simulation / Modellierung Kompetenzportfolio Energie

11. Konzentrierende Solarsysteme

12. CSP - Concentrating Solar Power Parabolrinne& Linear Fresnel Solarturm Central Receiver Dish (Stirling)

13. Solartürme, “Central Receiver Systems” • Solar-Two • PSA • PS10+20

14. Solarturm Jülich, Inbetriebnahme 2009 Leistung: 7,5 MWth 1,5 MWel Volumetrisches Receiverkonzept SiSiC Monolithe mit Wabenstruktur Lufttemperatur 760 – 1000°C Offener volumetrischer Solarreceiver: Solarturm Jülich

15. Jahreseffizienzen von Solarturmkraftwerken R.Buck, A. Pfahl, DLR, 2007

16. Solare Wasserstofferzeugung

17. Primärenergiebedarf zur Wasserstofferzeugung (Quelle: Universität Sheffield)

18. Kriterien zur Prozessauswahl für die solarthermische Wasserstofferzeugung • Betriebstemperatur muss technisch realisierbar sein. • Schnelle Reaktionen sind erwünscht. • Hohe Verfügbarkeit der eingesetzten Stoffe muss gegeben sein. • Hoher Wirkungsgrad muss realisierbar sein. • H2 muss zu einem akzeptablen Preis produziert werden können. Benchmark: H2 aus Elektrolyse mit erneuerbarem Strom. • Konkurrenz zu Wasserstoff aus Biomasse eher gering, • da geographische Verfügbarkeit unterschiedlich • Upgrade von Reststoffen allerdings attraktiv

19. Heute: • Industriemaßstab • Kostengünstig • Nicht erneuerbar • In Zukunft: • Erneuerbar • Marktfähig Solarthermische Prozesse zur Wasserstoffproduktion

20. Solarthermische Wasserstoffproduktionsverfahren DLR Projekte (Koordination und Beteiligung) SOLREF, SOLASYS, SCR, ASTERIX SOLHYCARB HYDROSOL 1+2; HYTHEC, HyCycleS HI2H2 HYSOLAR 22

21. Übergangsszenarium - Kombination fossiler Brennstoffe mit SolarenergieEinfacher Einstieg durch bereits vorhandenes Know-how und die Nutzung etablierter TechnikReduzierung der CO2 Emission Beteiligung deutscher Industrie (siehe DECHEMA Workshop Klimaschutz und SusChem Hightech Strategie zum Klimaschutz des Dialogforums Chemie)

22. CO2 Reduktion durch die Solarisierung etablierter Wasserstoffproduktionsverfahren kg/kg CO2 Reduktion 20 – 50%

23. Getrennt/allothermisch indirekt (Rohrreaktor) Integriert, direkt und volumetrisch Quelle: DLR Solare Dampfreformierung – VariantenReformierung: CH4 + H2O – CO + 3 H2, Shift: CO + H2O – CO2 + H2 • Reformer extern beheizt (700 bis 850°C) • Wärmespeicher optional bis (24/7) • Z.B. DLR Projekt ASTERIX Reformer Rohrwand wird bestrahlt (bis 850°C) Approx. 70 % Reformer-h Entwicklung durch CSIRO in Australien und in Japan; Forschung in Deutschland und beim Weizmann Institute of Science in Israel Katalytisch aktive direkt bestrahlte Absorber Approx. 90 % Reformer-h Hohe Strahlungsfluss-dichten, arbeitet nur bei Bestrahlung DLR koordiniert Projekte: SCR, Solasys, Solref; Forschung in Israel, Japan

24. Separation von Kollektor und Reaktor: Asterix Reformierung von Methan DLR, CIEMAT, Steinmüller

25. Druckaufgeladener Reaktor SOLASYS Fortführung SOLREF (EU FP4, FP6) • In das Gas eingekoppelte Leistung: bis 220 kWth (400 kWth) • Reformierungstemperatur: bis 765°C (1000°C) • Betriebsdruck: bis 9 bar (15 bar) • Konversionsgrad von Methan: max. 78 % • Stimmt jeweils mit dem theor. Gleichgewicht überein.

26. Pilotanlagen zur Solaren Wasserstofferzeugung Petcoke Reformierung SYNPET 500 kW SYNPET Solarreaktor Aufbau auf der Plataforma Solar de Almería Produktion: 100-180 kg/h Synthesegas CIEMAT (E), ETH (CH), PDVESA (VEN) T Denk et al., CIEMAT, 2009

27. SOLHYCARB Start: 1 März 2006 Projektlaufzeit: 4 Jahre Koproduktion von Wasserstoff und Kohlenstoff durch Cracken von Methan Konzentrierte Solarstrahlung “C“ Methan Solarer Crackreactor H2 1500 … 2300 K 1 bar No CO2 released! 29

28. Pilotanlagen zur Solaren Wasserstofferzeugung Cracken von Methan – SOLHYCARB 50 kW Solarreaktor Arbeitstemperatur bis 2100K Inbetriebnahme 28. September 2009, CNRS-PROMES, Odeillo, Frankreich CH4→ C + 2H2 SOLHYCARB EU FP6 Projekt CNRS-PROMES (F), ETH (CH), N-GHY (F), Abengoa (E), WIS (IL), DLR (D), APTL (GR), TIMCAL (B) S. Rodat et al., CNRS, 2009

29. Die Zukunft -Produktion von “erneuerbarem” H2 aus H2OWasserstoff ohne klimarelevante EmissionenDLR besitzt weltweiten Technologievorsprung, der aber in internationale Projekte eingebracht werden muss, da z.Zt. keine nationale FörderungNachhaltige Exportchancen für die deutsche WirtschaftTeil der SusChem Hightech Strategie zum Klimaschutz des Dialogforums Chemie

30. Effizienzvergleich Erneuerbare H2 Produktion aus Wasser, SANDIA 2008 G.J. Kolb, R.B. Diver SAND 2008-1900

31. Water H2O Hydrogen H2 Oxygen O2 Heat 800–1200 °C HyCycleS - Schwefelbasierte thermochemische Wasserstofferzeugung Schwefel-Iod-Prozess Hybrider Schwefelkreislauf

32. HycycleS EU FP7 Projekt: Materialien und Komponenten für die Wasserstoffproduktion durch schwefelbasierte Thermochemsiche Kreisprozesse Januar 2008 – Dezember 2010 Themen: Materialentwicklung und -tests für die Schwefelsäurespaltung (SiC Familie) Materialentwicklung und Design für H2SO4 Wärmeübertragerreaktoren und solare Receiverreaktoren Materialentwicklung und Komponentendesign zur SO2/O2 Trennung (Membranen, Reaktoren) 34

33. Design eines Mehrkammersolarreaktors Schaum SO3 + H2O H2SO4 Solarstrahlung (Fokus 1) Wabe SO2 + O2 + H2O Solarstrahlung (Fokus 2) Frontansicht eines Verdampfers (links) und des Spaltreaktors Rückansicht

34. 10 kW Solarreaktor für den Sonnenofentest

35. HYDROSOL 1+2 Solare Wasserstoffherstellung mittels Eisenmischoxid basierter Redoxsysteme 1. Schritt: Wasser Spaltung H2O + MOred  MOox + H2 MOred MOox H2O H2 O2 800 – 1200 °C 2. Schritt: Regeneration MOred MOox O2 MOox  MOred + ½ O2 1200°C Redoxmaterialien HYDROSOL-2 ZnFeO, NiZnFeO Nettoreaktion: H2O  H2 + ½ O2

36. Pilotanlagen zur Solaren Wasserstofferzeugung Wasserspaltung mit Ferriten HYDROSOL 2 100 kW HYDROSOL 2 (EU FP6) Solarreaktor, Plataforma Solar de Almería, Spanien APTL (GR), CIEMAT (E), DLR (D), Johnsson Matthey (UK), STC (DK) M. Roeb et al., DLR, 2009

37. HYDROSOL II Pilot Reaktor, Plataforma Solar de Almería

38. Großtechnische Wasserstoffproduktion in der Zukunft Wasserstoff-produktionskosten [€/kg H2] (aus verschiedenen Referenzen) ohne (blau) und mit (rot) (CO2 Abgaben Stand Januar 2006) • Gen IV Entscheidung? • Kernkraft nicht überall verfügbar CCS?

39. Zusammenfassung und Ausblick • Der Bedarf an Wasserstoff in der chemischen Industrie steigt • CO2 arme Verfahren müssen rasch verfügbar und wirtschaftlich sein • Wasserstoff wird ein wesentlicher Bestandteil einer erneuerbaren Energiewirtschaft sein • Verfahren zur solaren Wasserstofferzeugung müssen auch verfügbar werden • Solarthermische Verfahren versprechen dabei die höchste Effizienz • Kohlenstoffbasierte Übergangsprozesse erleichtern die Markteinführung • Wasserstoffnutzung als Energieträger hängt entscheidend von der Effizienz und Verlässlichkeit seiner Speicherung und Umwandlung ab (neue Speicher, Brennstoffzellen, Motoren …) • Innovative Verfahren müssen weiterentwickelt werden • Labor bis Demo • Märkte müssen erschlossen werden • Synergie mit solarthermischer Stromerzeugung

40. Danksagung • Die Projekte HYDROSOL, HYDROSOL II; HYTHEC, HYCYCLES, Hi2H2, INNOHYP-CA, SOLHYCARB und SOLREF wurden bzw. werden von der Europäischen Kommission co-finanziert. • HYDROSOL wurde ausgezeichnet mit • Eco Tech Award Expo 2005, Tokyo • IPHE Technical Achievement Award 2006 • Descartes Forschungspreis 2006 • Vielen Dank allen die dazu beigetragen haben!

41. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!