Solare Thermochemie

SOLZINC - Sonnenstrahlen als Energiequelle chemischer Reaktionen

Wird Sonnenenergie als Energiequelle chemischer Reaktionen verwandt, lässt sie sich auf diesem Umweg speichern und bei Bedarf in Elektroenergie umwandeln. Eine Erfolg versprechende Reaktion ist die solarthermische Herstellung von Zink aus Zinkoxid. Konzentrierte Sonnenenergie wird dabei als Hochtemperatur-Prozesswärme genutzt, um den metallischen Brenn- bzw. Betriebsstoff herzustellen.

SOLZINC-Pilotanlage am Weizmann Institute of Science, Rehovot

Die Nutzung von Sonnenenergie als Energiequelle ist durch ihre starke Verdünnung sowie durch örtliche und zeitliche Schwankungen in ihrem Auftreten erschwert. Diese Beschränkungen lassen sich überwinden, wenn man die Sonnenenergie in andere Energieformen umwandelt und in Betriebsstoffen mit hohen Energiedichten flexibel speichern kann. Solare chemische Brennstoffe (wie etwa solar hergestellter Wasserstoff und Methanol) transportieren Sonnenenergie und können zur Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom verwendet werden. Sie sind, längerfristig gesehen, viel versprechende Kandidaten als effiziente, saubere und nachhaltige Energieträger. Wege zur Speicherung von Sonnenenergie sind von entscheidender Bedeutung für ihre Verwendbarkeit als alternative Energiequelle. Aktuelle Forschungsschwerpunkte auf diesem Gebiet sind hauptsächlich thermische, photonische und elektrochemische Prozesse. Die solare Thermochemie verwendet konzentrierte Sonnenenergie, um energieintensive chemische Reaktionen ablaufen zu lassen.

Im Paul-Scherrer-Institut/Laboratory for Solar Technology (PSI) in Villigen/Schweiz wird seit über zehn Jahren in verschiedenen solartechnologischen Projekten und auf dem Gebiet der Solarchemie geforscht, etwa der solarthermischen Behandlung zum Recycling von Sondermüll wie den mit toxischen Schwermetalloxiden kontaminierten Filterstäuben. Lichtbogen-Ofenstaub (EAFD - Electric Arc Furnace Dust) wird beim Einschmelzen von Schrott in Lichtbogenöfen gebildet; bei der Produktion von einer Tonne Stahl fallen auf diesem Wege 10 – 20 Kilogramm EAFD an. Als Reduktionsmittel kommen dabei unter anderem die Shredder-Rückstände verschrotteter Autos (ASR - Automobile Shredded Residue) in Frage.

Ein anderes Projekt widmete sich dem solaren Kalkbrennen (The Solar Lime Project), in dem Muschelkalk oder andere Kalksorten im Labor-Maßstab mittels konzentrierter Sonnenstrahlung gebrannt werden - der erzeugte Brandkalk ist Grundstoff in der Bauindustrie. Obwohl es Industriebeteiligungen bei den Projekten gibt bzw. gab, halten sich potentielle industrielle Anwender aufgrund von Kostengründen und (noch) ungünstigen Rahmenbedingungen bisher bedeckt.

Erst kürzlich wurde am PSI ein neuer Hochfluss-Solarsimulator eingeweiht. Die weltweit leistungsstärkste Anlage dieser Art erreicht in ihrem Brennpunkt eine Strahlungsintensität von mehr als 10.000 Sonnen sowie eine maximale Wärmeleistung von 50 kW. Die Energie soll in zu testenden Solarchemie-Reaktoren genutzt werden. Der Simulator erlaubt den Forschern von PSI und ETH die Durchführung von Versuchen unabhängig von den Wetterbedingungen.

Solarenergie kann über die Erzeugung von Zink aus Zinkoxid mittels konzentrierter Sonnenstrahlung als Quelle der Hochtemperatur-Prozesswärme der endothermen Reaktion in einem haltbaren und transportfähigen Betriebsstoff gespeichert werden.

Ein 45 Grad-Spiegel wandelt die horizontal eintretenden Strahlen in abwärts gerichtete, in den Labor-Reaktor eintretende Strahlen. Bild: PSI

Der Energiegehalt von Zink ist als Elektrizität in Zink-Luft-Brennstoffzellen regenerierbar. Zink kann außerdem in einer exothermen Reaktion Wasser spalten und hochreinen Wasserstoff z.B. für Wasserstoff-Sauerstoff-PEM-Brennstoffzellen liefern (Brennstoffzelle ist nicht gleich Brennstoffzelle. Auf beiden Wegen ist das Reaktionsprodukt Zinkoxid, das im Solarreaktor erneut zu Zink reduziert werden kann. In dieser Form dient Zink als Hilfsmittel, um Sonnenenergie lager- und transportfähig zu machen.

SOLZINC ist ein von der EU gefördertes Forschungsprojekt zur chemischen Speicherung von Sonnenenergie. Das über vier Jahre laufende Projekt endet im November 2005. Beteiligte Projektpartner sind das Institut de Science et de Génie des Matériaux et Procédés (CNRS-IMP) in Odeillo (Frankreich), ScanArc Plasma Systems AB in Hofors (Schweden), das Weizmann Institute of Science/Solar Research Facilities Unit in Rehovot (Israel) sowie die ETH Zürich/Renewable Energy Carriers (Schweiz). In 4 Jahren belief sich das Gesamtbudget aller Partner auf 3 Millionen Euro; von der EU kamen etwa 1.3 Millionen Euro, vom Schweizer SBF etwa 0.4 Millionen Euro, den Rest steuerten die Partner selbst bei.

SOLZINC-Pilotanlage. Links oben befindet sich der Solarreaktor, rechts das Abgassystem zur Gewinnung von Zinkstaub; dieser wird mittels rezirkuliertem Abgas als Kühlmittel auskondensiert. Bild: PSI

Die bloße thermische Spaltung von Zinkoxid in Zink und Sauerstoff erfolgt bei Temperaturen über 1750 Grad Celsius. Die Zugabe kohlenstoffhaltiger Materialien ermöglicht den Betrieb bei 1000–1400 Grad Celsius – bei gleichzeitiger Brutto-Freisetzung von CO2 (0.8 – 0.9 mol Kohlendioxid pro Mol Zink). Wird die nötige Energie durch Sonnenstrahlen bereitgestellt, müssen weit weniger kohlenstoffhaltige Materialien zugesetzt werden. Die so genannte solare karbothermische Reduktion erleichtert auch das Auskondensieren des entstehenden gasförmigen Zinks aus den Abgasen der Reaktion. Der zugesetzte Koks wird nur zur Reduktion benötigt, nicht zur Energiebereitstellung wie in der konventionellen Pyrometallurgie. Bei der karbothermischen Reduktion fällt deshalb nur ein Fünftel der Kohlendioxid-Menge aus einem vergleichbaren pyrometallurgischen Ansatz an. Verglichen mit einer rein solar-thermischen Zinkoxid-Dissoziation kann die erforderliche Reaktionstemperatur deutlich herabgesetzt werden.

Die stark vereinfachte Summenreaktion ZnO (s) + C (s) = Zn (g) + CO (g) setzt sich dabei aus mehreren Teilreaktionen zusammen. Der Energiebedarf pro Mol liegt bei 415 Kilojoule und beinhaltet das Aufheizen von Zinkoxid und Kohlenstoff auf die Prozess-Temperatur - das entspricht 1,75 kWh pro Kilogramm Zink.

Parallel zu Auswahl und Test einer geeigneten Solartechnologie sollen Zink-Luft-Brennstoffzellen für dieses Verfahren optimiert und ein Zink-Hydrolyse-Reaktor konzipiert werden.

Das Paul-Scherrer-Institut steuerte den Solarreaktor bei – aus drei im Labor-Maßstab getesteten Designs wurde der “Two-Cavity”-Reaktor ausgewählt.

“Two-Cavity”-Reaktor, Labor-Maßstab. Konzentriertes Sonnenlicht fällt von oben durch eine kleine Öffnung mit Quarzfenster in die obere Reaktionskammer ein und heizt diese auf. Die dünne Zwischenwand strahlt in die untere Kammer und auf das Reaktionsbett aus Zinkoxid und Kohlenstoff, dessen Oberfläche ca. 1100° - 1300° Celsius erreicht. Die Zwischenwand schützt das Fenster vor dem Kontakt mit den Produktgasen. Das entstehende Gasgemisch verlässt die untere Kammer durch das horizontale Abgasrohr. Bild: PSI

In einem typischen Laborexperiment wird der Reaktor mit 500-750 Gramm eines Zinkoxid-Pulver-Kohlenstoff-Gemisches beschickt; der Reaktor wird geschlossen, mit Stickstoff gespült und in den Fokus des Solarofens gerückt. Das ZnO-C-Reaktionsbett wird mittels “beam-down”- Optik indirekt von oben durch Strahlung durch eine Zwischenwand beheizt, deren Oberseite der konzentrierten Sonnenstrahlung unmittelbar ausgesetzt ist.

Zeitliche Veränderung von Prozess-Parametern während eines typischen Solarexperiments im Labor-Maßstab mit 430 Gramm Zinkoxid und 70 Gramm industrieller Buchenholzkohle. Dargestellt sind die Temperaturgänge der oberen und unteren Kammer. Eingangsleistung im Solarreaktor: ca. 6 kW. Rechte Seite des Diagramms: Gasflüsse von CO, CO2 und H2. Ebenfalls gebildeter Wasserdampf entstammt hauptsächlich der Holzkohle. Umsatzrate:0,13 mol Zink pro Minute (1 Mol Zink entspricht 65,4 Gramm). Bild:PSI

Die Reaktionsprodukte Zink und Kohlenmonoxid liegen bei den vorherrschenden Temperaturen gasförmig vor – das Reaktions-Festbett reagiert von oben nach unten ab, und nach dem Versuch ist der Reaktor praktisch leer. Das gasförmige Zink kondensiert im nachgeschalteten Kühler, der Umsatz erfolgt nahezu 100%ig. Das Verfahren wurde erfolgreich im 5-10-kW-Maßstab getestet und für den Pilot-Bereich hochskaliert. Der Durchmesser der Pilot-Reaktionskammer für 300 kW konzentrierte Sonnenenergie beträgt ca. 1,4 Meter. Die maximale Füllung von etwa 500 kg reicht für den Batch-Betrieb eines Tages aus. Nach Abkühlen über Nacht kann der Reaktor am Morgen für den nächsten Sonnentag gefüllt werden.

Solaranlage am Weizmann Institute of Science (WIS) in Israel, mit schematischem Strahlengang für den SOLZINC-Prozess (Sonne – Heliostat-Feld – hyperbolischer „beam down“-Spiegel). Die Pilotanlage befindet sich im weißen Gebäude unterhalb des 56 m hohen Solarturms. Durch ein schrittweises Erhöhen der verfügbaren Sonnenenergie an der Eintrittsöffnung des Reaktors durch Hinzunahme von mehr und mehr Heliostaten wird dieser allmählich aufgeheizt. Bild: PSI

Dr. Christian Wieckert vom PSI, wissenschaftlicher Koordinator des Projektes, beschreibt gegenüber Telepolis Erfahrungen mit der 300 kW- Pilotanlage am Weizmann Institute of Science (WIS) in Rehovot/ Israel:

Wir nutzen etwa 30% der in den Solarreaktor einfallenden Sonnenenergie für die chemische Umsetzung und produzieren damit 45 kg Zink pro Stunde, womit die projektierten Ziele bezüglich Durchsatz und Effizienz bereits weitestgehend erreicht wurden. Größere industrielle Anlagen, für die das laufende Projekt die Grundlagen liefern soll, dürften eine Effizienz von 50-60% erreichen.

Das Reaktions-Abgas besteht hauptsächlich aus gasförmigem Zink, Kohlenmonoxid und Wasserstoff – sowie geringen Anteilen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf. Für die Zink-Anode einer Zink-Luft-Brennstoffzelle wird Zink mit einer großen Oberfläche benötigt. Bei langsamer Abkühlung wird ein sehr feiner Zinkstaub durch Nukleation aus der Gasphase gebildet und abgeschieden. Bei größeren Anlagen wird auch der Energieinhalt des Abgases nach der Abscheidung des Zinkstaubes genutzt werden. Dazu wird das gebildete Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umgesetzt– entweder durch Verbrennung zur Stromerzeugung oder durch exothermes „Shiften“ zu Wasserstoff (nach CO + H2O = CO2 + H2).

Wird das erzeugte Zink weiter in Zink-Luft-Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet, liegt der letztendliche Kohlendioxid- Ausstoß pro kWh Elektroenergie rund halb so hoch wie bei modernen Kohlekraftwerken. Wird Biomasse- Kohlenstoff verwendet (wie hier Buchenholzkohle), so ist der Prozess selbst praktisch Kohlendioxid-neutral. Da das Kohlendioxid im Abgas sehr konzentriert anfällt, lässt sich eine optionale Abscheidung und Sequestrierung wesentlich günstiger gestalten als bei rein fossilen Anlagen – das würde eine Kohlendioxid- neutrale Lösung für den Einsatz fossilen Kohlenstoffs und sogar eine negative Kohlendioxid- Bilanz bei Biomassen-Kohlenstoff bedeuten.

Die kohlenstofffreie Zinkoxid- Dissoziation bei höheren Temperaturen ist ein Forschungsschwerpunkt am PSI; vor der Realisierung industrieller Anlagen besteht hier jedoch noch einiger Forschungsbedarf.

Bereits Thomas Alva Edison wusste, dass aus Zink und atmosphärischem Sauerstoff Elektrizität gewonnen werden kann. Zink-Luft-Brennstoffzellen haben gegenüber konventionellen Energiespeichern deutlich höhere Energieinhalte (zehnmal so hoch wie ein Bleisystem, dreimal so hoch wie ein Lithiumsystem). Das hoffnungsvoll gestartete deutsche Unternehmen Zoxy Energy Systems hatte hier angesetzt und bereits Zink-Luft-Brennstoffzellen produziert; die Firma war Partner im SOLZINC-Projekt; unterdessen wurde jedoch Insolvenz angemeldet. Zurzeit gibt es Bemühungen der Projektleitung um einen Nachfolger.

An der ETH Zürich laufen zurzeit intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für einen Zn-Hydrolyse Reaktor. Es gibt Erfolg versprechende Versuche mit Reaktionen kleiner Zink- Partikel mit Wasserdampf und schneller Reaktion zu Wasserstoff und Zinkoxid.

Im April 2005 fand anlässlich der erfolgreichen Inbetriebnahme der Pilotanlage am WIS in Israel ein „SOLZINC Day“ statt, an dem das Gebiet der Hochtemperatur-Solarchemie im allgemeinen und die SOLZINC-Technologie als hybrider Prozess beim Übergang von fossilen zu solar-thermochemischen Technologien im speziellen der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Letztlich sollen Wege und Mittel gefunden werden, um Sonnenenergie aus den sonnigen und unbewohnten Regionen des Sonnengürtels der Erde in die industrialisierten und dicht bevölkerten, energiehungrigen Zentren außerhalb der Gebiete mit intensiver Sonneneinstrahlung zu transportieren und zu speichern.

Prof. Aldo Steinfeld (Institut für Energietechnik an der ETH Zürich und Leiter des Labors für Solartechnik am PSI) warf einen Blick in die Zukunft:

Die Forschung auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Solarchemie an der ETH und am PSI verbindet grundlegende physikalische und chemische Studien mit der verfahrenstechnischen Entwicklung von solarchemischen Reaktoren. Langfristiges Ziel ist die Entwicklung von Brennstoffen, die mit einer sauberen, universellen und nachhaltigen Energiequelle hergestellt werden. Solare Brennstoffe können für eine umweltfreundliche Energieversorgung genutzt werden und damit einen Beitrag zur Lösung der Klimaproblematik leisten.

Es bestehen berechtigte Aussichten, dass die solare Thermochemie mit der Verfügbarkeit preiswerterer Technologie-Varianten mit konventionellen, auf der Nutzung von fossilen Energieträgern beruhenden Technologien konkurrieren kann, insbesondere wenn die externen Kosten bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die z.B. für eine Verminderung des Ausstoßes von CO2 und Luftschadstoffen anfallen, berücksichtigt werden.

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