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

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


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Solarthermische Verfahren zur Wasserstofferzeugung Dr. Christian Sattler DLR - Institut für Technische Thermodynamik Solarforschung. Überblick. Energieforschung im DLR Konzentrierende Solar Systeme Solarthermische Wasserstoffproduktion Aus kohlenstoff-haltigen Rohstoffen Aus Wasser

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

berblick
Überblick
  • Energieforschung im DLR
  • Konzentrierende Solar Systeme
  • Solarthermische Wasserstoffproduktion
    • Aus kohlenstoff-haltigen Rohstoffen
    • Aus Wasser
  • Ausblick

PS10+20, Sanlucar la Mayor, Spanien

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Das DLR

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Raumfahrt-Agentur der Bundesrepublik Deutschland

mitwirkung in der helmholtz gemeinschaft
Mitwirkung in der Helmholtz-Gemeinschaft
  • Erfolg in der programmorientierten Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft
  • Mehrwert aus der Unterstützung der Helmholtz-Gemeinschaft
  • Mitgestaltung des Organisationsentwicklungsprozesses
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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

prozentualer anteil der gesch ftsfelder an den gesamtertr gen forschung und entwicklung 2007
Prozentualer Anteil der Geschäftsfelder an den Gesamterträgen Forschung und Entwicklung 2007
  • Weltraum
  • Luftfahrt
  • Verkehr
  • Energie
programmthemen der energieforschung
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
kompetenzportfolio energie

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
csp concentrating solar power
CSP - Concentrating Solar Power

Parabolrinne& Linear Fresnel

Solarturm

Central Receiver

Dish (Stirling)

offener volumetrischer solarreceiver solarturm j lich
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
kriterien zur prozessauswahl f r die solarthermische wasserstofferzeugung
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
solarthermische prozesse zur wasserstoffproduktion

Heute:

  • Industriemaßstab
  • Kostengünstig
  • Nicht erneuerbar
  • In Zukunft:
  • Erneuerbar
  • Marktfähig
Solarthermische Prozesse zur Wasserstoffproduktion
solarthermische wasserstoffproduktionsverfahren dlr projekte koordination und beteiligung
Solarthermische Wasserstoffproduktionsverfahren DLR Projekte (Koordination und Beteiligung)

SOLREF, SOLASYS, SCR, ASTERIX

SOLHYCARB

HYDROSOL 1+2; HYTHEC, HyCycleS

HI2H2

HYSOLAR

22

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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)

co 2 reduktion durch die solarisierung etablierter wasserstoffproduktionsverfahren
CO2 Reduktion durch die Solarisierung etablierter Wasserstoffproduktionsverfahren

kg/kg

CO2 Reduktion 20 – 50%

solare dampfreformierung varianten reformierung ch 4 h 2 o co 3 h 2 shift co h 2 o co 2 h 2

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

separation von kollektor und reaktor asterix
Separation von Kollektor und Reaktor: Asterix

Reformierung von Methan

DLR, CIEMAT, Steinmüller

druckaufgeladener reaktor solasys fortf hrung solref eu fp4 fp6
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.
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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

solhycarb
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!

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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

slide29

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

effizienzvergleich erneuerbare h 2 produktion aus wasser sandia 2008
Effizienzvergleich Erneuerbare H2 Produktion aus Wasser, SANDIA 2008

G.J. Kolb, R.B. Diver SAND 2008-1900

slide31

Water

H2O

Hydrogen

H2

Oxygen

O2

Heat

800–1200 °C

HyCycleS - Schwefelbasierte thermochemische Wasserstofferzeugung

Schwefel-Iod-Prozess

Hybrider Schwefelkreislauf

hycycles
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

design eines mehrkammersolarreaktors
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

hydrosol 1 2 solare wasserstoffherstellung mittels eisenmischoxid basierter redoxsysteme
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

slide36

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

gro technische wasserstoffproduktion in der zukunft
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?

zusammenfassung und ausblick
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
danksagung
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!