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Sonnenenergie in Schwefel speichern
Sektorenkopplung neu gedacht: DLR forscht an neuartigem Solarthermie-Kraftwerk

Es ist eine völlig neue Art von Solarthermie-Kraftwerk, die das Institut für Solarforschung der Deutschen Luft- und Raumfahrtgesellschaft in Jülich mit dem Forschungsprojekt PEGASUS untersucht hat: Es speichert Sonnenenergie als Schwefel. Die Technologie funktioniert als geschlossener Kreislauf, aber der wirkliche Clou ist ein anderer: Es erzeugt nicht nur Strom ohne Treibhausgasemissionen, sondern könnte auch Teile der chemischen Industrie und der Landwirtschaft dekarbonisieren. Wie das funktioniert, erklärt Projektleiter Dennis Thomey im en:former.

Herr Thomey, wenn wir im en:former über Power-to-X-Technologien berichten, kommen wir in der Regel ohne tiefere Chemie-Kenntnisse aus. Nun sprechen wir heute über ein solarchemisches Schwefelsäurekraftwerk, dessen Entwicklung Sie geleitet haben. Wie viel Chemie brauchen wir dafür?

Dennis Thomey

Es ist tatsächlich die Kombination aus Physik und Chemie, die das PEGASUS-Projekt so anspruchsvoll gemacht hat. Aber ich glaube, die meisten Vor- und Nachteile der Technologie lassen sich auch erklären, ohne allzu tief in die Naturwissenschaften einzusteigen.

Einverstanden. Beginnen möchten wir mit einem Bauteil, dem Solarreceiver. Können Sie kurz erklären, was das ist?

Mit Solarreceiver ist ein Empfänger für konzentrierte Sonnenstrahlung gemeint, der das Licht in Wärme umwandelt und diese zur weiteren Nutzung an ein Wärmeträgermedium weitergibt. Eine typische Anwendung sind CSP-Kraftwerke (Concentrated Solar Power, d.R.), wo sich der Solarreceiver in einem Turm befindet. Mehrere Tausend Spiegel, sogenannte Heliostaten, die um den Turm auf dem Boden stehen, lenken das Sonnenlicht auf den Receiver.

In herkömmlichen CSP-Kraftwerken wird heute Schmelzsalz als Wärmeträgermedium verwendet. Mit der Wärme wird Wasserdampf erzeugt, der eine Turbine abtreibt, die über einen Generator Strom erzeugt.

Solarreceiver

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Der Solarreceiver ist also der Teil des Systems, der die Sonnenwärme nutzbar macht. So ist es auch im PEGASUS-Kraftwerk. Herkömmliche Receiver würden dafür aber nicht ausreichen. Am DLR-Institut für Solarforschung in Jülich haben Sie einen Solarreceiver mit einem anderen Wärmeträgermedium entwickelt …

Richtig. Dort nutzen wir keramische Partikel mit einem Durchmesser von circa einem Millimeter, die in einem sogenannten Zentrifugal-Receiver erhitzt werden. Diese Technologie haben wir in Jülich entwickelt und im Rahmen des PEGASUS-Projekts noch einmal weiterentwickelt. Mit der sogenannten CentRec®-Technologie werden die Partikel in eine rotierende Trommel eingeleitet und durch die Zentrifugalkraft an die Innenwand gedrückt, wo sie einen etwa drei Millimeter dicken Partikelfilm bilden. Darauf trifft dann die konzentrierte Solarstrahlung.

Im Vergleich zu Schmelzsalz ist das Bauxit-Granulat leichter in der Handhabung: Es ist gesundheitlich unbedenklich und nicht korrosiv, daher kann es ganz einfach in isolierten Behältern gelagert werden. Vor allem aber erreicht es deutlich höhere Temperaturen: etwa 900 statt 550 Grad Celsius. Die sind nötig, um die Schwefelsäure in dem innovativen Reaktor thermisch zu spalten, den wir im PEGASUS-Projekt entwickelt haben.

Jetzt kommt die Chemie ins Spiel.

Die Wärme des Granulats erhitzt einen Reaktor, der die Schwefelsäure in mehreren Schritten aufspaltet. Nach einem weiteren Umwandlungsschritt – der sogenannten Disproportionierung – erhält man reinen Schwefel. Darüber hinaus fallen Sauerstoff und überschüssiges Wasser als Nebenprodukte an.

Um die gespeicherte Wärmeenergie zurückzugewinnen, kann der Schwefel in konventionellen Anlagen wieder verbrannt und zu Schwefelsäure reagiert werden. Die Abwärme dieser Anlagen wird schon seit vielen Jahrzehnten zur Stromproduktion genutzt.

Im PEGASUS-Projekt haben wir aber einen neuartigen Schwefelbrenner entwickelt, der bei erhöhtem Druck arbeiten kann und dadurch für den Betrieb hocheffizienter Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke geeignet ist.

Wer sich mit Power-to-X-Technologien beschäftigt hat, weiß, dass es bei chemischen Reaktionen energetische Umwandlungsverluste gibt. Der energetische Aufwand lohnt sich aber bei Anwendungen, zum Beispiel im Transportsektor, die auf die Energiedichte dieser Brennstoffe angewiesen sind. Wie ist das mit Schwefel als Energieträger?

Wenn es heißt, dass monokristalline PV-Module einen Wirkungsgrad von 22 Prozent haben, bezieht sich das auf ideale Strahlungsbedingungen ohne Wolken. Allerdings nutzt die Photovoltaikanlagen nur bestimmte Frequenzen der Sonnenstrahlen und können nur an Sonnentagen betrieben werden. Solarthermie-Kraftwerke hingegen nutzen das gesamte Spektrum und speichern die Wärme für den Betrieb ohne Sonne. Der elektrische Wirkungsgrad unseres Schwefelsäurekraftwerk liegt bei knapp zehn Prozent.

Bestehenden CSP-Kraftwerken ist PEGASUS dennoch unterlegen. Dort liegen die elektrischen Wirkungsgrade zwischen 15 und 20 Prozent. Welche Vorteile hat ein Schwefelsäurekraftwerk?

Herkömmliche CSP-Kraftwerke können Energie tagsüber speichern und über Nacht Strom produzieren. Damit sind sie eine optimale Ergänzung zur Photovoltaik, die nur tagsüber Strom liefern kann. Ein Schwefelsäurekraftwerk könnte auch als saisonaler Energiespeicher dienen. Unseren Berechnungen nach kann ein PEGASUS-System in sonnenreichen Regionen wie der Sahara 50 bis 51 Wochen pro Jahr durchlaufen. Theoretisch wären auch 365 Tage möglich, aber das wäre nicht wirtschaftlich, weil der Speicher dafür sehr groß sein müsste.

Es sei denn, der produzierte Schwefel würde exportiert. Und das ist ein weiterer Vorteil. Strom aus der Sahara nach Deutschland zu übertragen, ist nicht so einfach. Reiner Schwefel aber kann problemlos als Schüttgut verschifft werden und auf offenen Halden bis zu seiner Nutzung gelagert werden.

Und das genügt, um den Nachteil beim Wirkungsgrad auszugleichen?

Nein. Aber es geht in unserem Verfahren maßgeblich um die Schwefelsäure: Keine Chemikalie wird weltweit in so großen Mengen produziert wie Schwefelsäure. Sie wird vor allem für die Düngemittelproduktion, aber auch in anderen Bereichen der chemischen Industrie benötigt.

Bisher wird Schwefelsäure fast ausschließlich aus Erdöl gewonnen. Bei der Nutzung – zum Beispiel in der Düngemittelproduktion – wird sie dann verunreinigt und müsste zur weiteren Verwendung aufbereitet werden. In der Regel wird sie aber entsorgt, weil in den Raffinerien genug billigere Schwefelsäure produziert wird.

Wenn nun aber in den nächsten Jahren immer weniger Erdöl genutzt und verarbeitet wird, wird ganz automatisch der Bedarf an recycelter Schwefelsäure steigen. Und da kommen wir ins Spiel: Unser Schwefelsäurereaktor kann auch verunreinigte Schwefelsäure aufspalten. Nach der Verstromung haben wir wieder reine Schwefelsäure. Das gesamte PEGASUS-System ist also nicht nur ein Kraftwerk, sondern auch eine Recyclinganlage für Schwefelsäure.

Dann sehen Sie ihre Kundschaft gar nicht nur bei den Stromproduzenten, sondern eher in der chemischen Industrie?

Die Schwefelsäureindustrie muss der Treiber unserer Technologie sein. Zur reinen Stromproduktion gibt es preiswertere Technologien. Allerdings sind die niedrig hängenden Früchte der Energiewende langsam geerntet: Mit einem Anteil von 50 Prozent Windkraft und PV ist die Versorgung gut zu gewährleisten, darüber wird es schwieriger. CSP-Kraftwerke haben in Mitteleuropa keine Chance, auch die weitere Nutzung der Wasserkraft ist begrenzt. Für die zweiten 50 Prozent brauchen wir also Speicher und Kraftwerke, die ohne Emissionen unabhängiger vom Wetter arbeiten.

Vor allem aber ist der Kampf gegen den Klimawandel nicht mit der Energiewende getan und die Energiewende nicht mit der nachhaltigen Stromproduktion. Zum Erreichen der Klimaziele müssen auch andere Bereiche wie Stahl- und Zementproduzenten, aber eben auch die chemische Industrie und die Landwirtschaft ihre Emissionen senken. Also muss auch Schwefelsäure irgendwann emissionsfrei produziert werden.

Wird denn die wachsende Nachfrage nach Schwefelsäure-Recycling genügen, um die PEGASUS-Technologie rentabel zu machen? Oder brauchen Sie dafür auch einen steigenden CO2-Preis?

Allein die Nachfrage würde nicht genügen, weil es kostengünstigere Verfahren gibt. Entscheidend ist tatsächlich der CO2-Preis. Unseren Kalkulationen nach müsste er bei etwa 150 Euro pro Tonne CO2 liegen, damit ein solares Schwefel-Kraftwerk profitabel wird.

Die CO2-Preise im europäischen Zertifikatsystem EU-ETS sind zuletzt stark gestiegen und lag Ende September über 60 Euro. Sie haben also wohl noch etwas Zeit, die Technologie zu optimieren. Wann rechnen sie damit, dass PEGASUS marktreif und der Markt PEGASUS-reif ist?

Wir haben in der Tat noch einigen Entwicklungsbedarf vor uns. Zum Beispiel müssen wir die Reaktoren, die wie benötigen, noch in industriellem Maßstab realisieren. Bis das erste solare Schwefelsäurekraftwerk gebaut wird, gehen wir von einem Zeithorizont von zehn bis 15 Jahren aus.

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