Wasserstoff wird größtenteils durch Verfahren hergestellt, bei denen Erdgas und andere fossile Brennstoffe zum Einsatz kommen. Im Gegensatz dazu bietet solarer thermochemischer Wasserstoff (STCH) eine völlig emissionsfreie Alternative, da er ausschließlich aus erneuerbarer Sonnenenergie erzeugt wird. Bisherige Konzepte haben jedoch einen begrenzten Wirkungsgrad: Nur etwa sieben Prozent des einfallenden Sonnenlichts werden zur Herstellung von Wasserstoff genutzt.
Ein Team des MIT hat nun ein Design erarbeitet, das bis zu 40 Prozent der Sonnenwärme nutzen könnte, um Wasserstoff zu erzeugen. Die höhere Effizienz könnte die Gesamtkosten des Systems senken und STCH zu einer potenziell skalierbaren, erschwinglichen Option machen, die zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beiträgt.
„Wir betrachten Wasserstoff als den Kraftstoff der Zukunft, und es besteht die Notwendigkeit, ihn billig und in großem Maßstab zu erzeugen“, sagt der Hauptautor der Studie Prof. Ahmed Ghoniem. „Wir versuchen, das Ziel des Energieministeriums zu erreichen, bis 2030 grünen Wasserstoff zu einem Preis von einem Dollar pro Kilogramm herzustellen. Um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern, müssen wir die Effizienz steigern und sicherstellen, dass der größte Teil der von uns gesammelten Sonnenenergie für die Produktion von Wasserstoff verwendet wird.“
Ablauf der thermochemischen Wasserstoffproduktion
Ähnlich wie bei anderen vorgeschlagenen Entwürfen würde das MIT-System mit einer vorhandenen Solarwärmequelle gekoppelt werden, beispielsweise einer konzentrierten Solaranlage (CSP). Dabei handelt es sich um eine kreisförmige Anordnung von hunderten Spiegeln, die Sonnenlicht sammeln und zu einem zentralen Empfangsturm reflektieren. Ein STCH-System nimmt dann die Wärme des Empfängers auf und leitet sie zur Spaltung von Wasser und zur Erzeugung von Wasserstoff weiter. Dieser Prozess unterscheidet sich stark von der Elektrolyse, bei der Strom statt Wärme zur Wasserspaltung verwendet wird.
Das Herzstück eines STCH-Systems bildet eine zweistufige thermochemische Reaktion. Im ersten Schritt wird Wasser in Form von Dampf mit einem Metall in Kontakt gebracht. Dadurch nimmt das Metall den Sauerstoff aus dem Dampf auf und lässt Wasserstoff zurück. Diese „Oxidation“ des Metalls ist vergleichbar mit dem Rosten von Eisen, läuft aber viel schneller ab.
Sobald der Wasserstoff abgetrennt ist, wird das oxidierte Metall in einem Vakuum wieder erhitzt, wodurch der Rostprozess umgekehrt und das Metall regeneriert wird. Nachdem der Sauerstoff entfernt wurde, kann das Metall abgekühlt und erneut dem Dampf ausgesetzt werden, um weiteren Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Prozess kann hunderte Male wiederholt werden.
Wärme und Vakuum als Hindernisse
Das System des MIT ist darauf ausgelegt, diesen Prozess zu optimieren. Es ähnelt einer Reihe kastenförmiger Reaktoren, die auf einem kreisförmigen Gleis laufen. In der Praxis würde diese Bahn um eine solarthermische Quelle, zum Beispiel einen CSP-Turm, verlaufen. Jeder Reaktor im Zug würde das Metall aufnehmen, das den Redox- oder reversiblen Rostprozess durchläuft.
Jeder Reaktor würde zunächst eine heiße Station durchlaufen, wo er der Sonnenhitze mit Temperaturen von bis zu 1.500 °C ausgesetzt wäre. Diese extreme Hitze würde dem Metall des Reaktors den Sauerstoff entziehen – es befände sich dann in einem „reduzierten“ Zustand, bereit, Sauerstoff aus Dampf aufzunehmen. Dazu müsste der Reaktor in eine kühlere Station mit Temperaturen um 1.000 °C gebracht werden, wo er mit Wasserdampf beaufschlagt würde, um Wasserstoff zu erzeugen.
Andere STCH-Konzepte sind auf ein gemeinsames Hindernis gestoßen: Was soll mit der Wärme geschehen, die der reduzierte Reaktor bei seiner Abkühlung abgibt? Ohne Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser Wärme ist der Wirkungsgrad des Systems zu gering, um praktikabel zu sein. Eine zweite Herausforderung besteht darin, ein energieeffizientes Vakuum zu erzeugen, in dem Metall entrosten kann. Einige Prototypen erzeugen ein Vakuum mittels mechanischer Pumpen, die jedoch für eine groß angelegte Wasserstoffproduktion zu energie- und kostenintensiv sind.
Lösung der Probleme
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, sieht der MIT-Entwurf mehrere energiesparende Lösungen vor. Um einen Großteil der Wärme zurückzugewinnen, die andernfalls aus dem System entweichen würde, können Reaktoren auf gegenüberliegenden Seiten der Kreisbahn durch Wärmestrahlung Wärme austauschen. Heiße Reaktoren werden gekühlt, während kühle Reaktoren geheizt werden. Auf diese Weise bleibt die Wärme im System.
Die Forscher ergänzten zudem eine zweite Reihe von Reaktoren, die sich in entgegengesetzter Richtung um den ersten Zug herum bewegen. Dieser äußere Reaktorstrang würde bei allgemein kühleren Temperaturen arbeiten und dazu dienen, Sauerstoff aus dem heißeren inneren Strang abzuleiten, ohne dass energieaufwendige mechanische Pumpen erforderlich wären.
Die äußeren Reaktoren enthalten eine zweite Art von Metall, das ebenfalls leicht oxidieren kann. Während sie kreisen, absorbieren die äußeren Reaktoren Sauerstoff aus den inneren Reaktoren, wodurch das ursprüngliche Metall effektiv entrostet würde, ohne dass energieintensive Vakuumpumpen eingesetzt werden müssten. Beide Reaktorstränge würden kontinuierlich laufen und separate Ströme von reinem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen.
Prototyp für 2024 geplant
Die Forscher führten detaillierte Simulationen des Konzepts durch und stellten fest, dass es den Wirkungsgrad der solaren thermochemischen Wasserstofferzeugung erheblich steigern würde: von sieben auf 40 Prozent.
„Wir müssen an jedes bisschen Energie im System denken und daran, wie wir es nutzen können, um die Kosten zu minimieren“, sagt Ghoniem. „Und bei diesem Entwurf haben wir herausgefunden, dass alles mit der Wärme der Sonne betrieben werden kann. Es ist in der Lage, 40 Prozent der Sonnenwärme zur Erzeugung von Wasserstoff zu nutzen.“
Ließe sich das realisieren, könnte eine Wasserstoffproduktion rund um die Uhr erfolgen, wie Christopher Muhich, ein Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Arizona State University, erklärt. „Die Fähigkeit, Wasserstoff herzustellen, ist der Dreh- und Angelpunkt für die Erzeugung flüssiger Brennstoffe aus Sonnenlicht“, sagt er.
2024 will das Team einen Prototyp des Systems bauen, den es in Anlagen für konzentrierte Solarenergie in Labors des Energieministeriums testen will, das das Projekt derzeit finanziert. „Wenn dieses System vollständig implementiert ist, würde es in einem kleinen Gebäude in der Mitte eines Solarfelds untergebracht“, sagt Co-Autor Aniket Patankar. „Innerhalb des Gebäudes könnte es einen oder mehrere Züge mit jeweils etwa 50 Reaktoren geben. Und wir denken, dass dies ein modulares System sein könnte, bei dem man Reaktoren zu einem Förderband hinzufügen kann, um die Wasserstoffproduktion zu steigern.“
