Bei einer Elektrolyse wird Wasser mit Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. "Die Herausforderung bei diesem speziellen Projekt lag darin, die beiden Komponenten, Hochtemperaturelektrolyse und solarthermische Dampferzeugung, zu koppeln. Die Anforderungen an die Steuerungs- und Regelungstechnik sind dabei sehr hoch, weshalb diese Kombination bisher nicht realisiert worden ist", fasst Günter Schiller, Forscher am DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart, zusammen.

Effizienteste Art der Wasserstoffproduktion
Die Hochtemperaturelektrolyse hat einen sehr hohen Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent. Sie ist damit die effizienteste Art der Wasserstoffproduktion, benötigt allerdings Temperaturen von 700 bis 900 Grad Celsius. Prozesse auf diesem Temperaturniveau sind schwer zu handhaben. Die Niedertemperaturelektrolyse kommt dagegen mit deutlich geringeren Temperaturen von etwa 70 bis 100 Grad aus und hat den Weg in den kommerziellen Markt bereits gefunden. Sie zeichnet sich jedoch durch einen geringeren Wirkungsgrad, der zwischen 60 und 80 Prozent liegt, aus.

Um den für die Elektrolyse benötigten rund 750 Grad heissen Wasserdampf zu erzeugen, nutzten die Wissenschaftler primär Solarwärme sowie die Wärme der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit. Im Sonnensimulator des DLR-Instituts für Solarforschung in Köln fing dazu ein spezieller Solarwärmeabsorber, in der Fachsprache Receiver genannt, die Strahlung einer künstlichen Sonne auf. Das durch den Receiver geleitete Wasser wurde zu Dampf. "Das Schwierige dabei war, einen möglichst gleichmässigen und stabilen Dampfstrom zu erzeugen. Denn die Hochtemperaturelektrolyse verträgt keine Schwankungen beim Druck, sonst nehmen die Zellen des Elektrolyse-Stacks Schaden", erklärt Henrik von Storch vom Institut für Solarforschung in Köln. Auch an dieser Stelle war die Regelungstechnik gefragt, damit das Mini-Wasserstoffkraftwerk zusammengesetzt und im Versuch getestet werden konnte.

Vom Mini-Kraftwerk im Labor zu Konzepten für die Anwendung
Um eine zuverlässige Versorgung mit Wasserdampf auch in Zeitspannen zu garantieren, in denen die Sonne nicht oder nicht intensiv genug scheint, entwickelten die DLR-Energieforscher vom Institut für Technische Thermodynamik zudem ein Konzept für einen entsprechenden Wärmespeicher und realisierten es in einem separaten Teststand.

Erste Simulationen zeigen, dass sich Wasserstoff mit Gesamtwirkungsgraden zwischen 20 und 25 Prozent regenerativ erzeugen lässt, wenn man Hochtemperaturelektrolyse und Solarthermie kombiniert. Die Grösse solarthermischer Anlagen lässt sich relativ einfach hochskalieren, Elektrolysesysteme sind modular erweiterbar. Deshalb gehen die Forscher davon aus, dass sehr grosse Anlagen mit einer Grösse von mehr als 100 Megawatt realisierbar sind. Diese können langfristig eine umweltfreundliche Alternative darstellen, um Kraftstoffe regenerativ zu produzieren.

Text: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)