Contact

Stefan Fogel
Experimental Thermal Fluid Dynamics
s.fogelAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2254

Prof. Dr. Uwe Hampel
Head
u.hampel@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2772
Fax: 12772, 2383

Entwicklung eines tubularen Dampf-Elektrolyseurs mit integrierter Kohlenwasserstoffsynthese (DELTA)

Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Hintergrund

Durch den Ausbau der Nutzung von Wind- und Solarenergie in Deutschland steigt der Bedarf an Technologien zur räumlichen und zeitlichen Entkoppelung von Energiebereitstellung und -nutzung. Infolge der Netzeinbindung fluktuierender regenerativer Energiequellen ergeben sich grundlegend neue Anforderungen an die bestehende, grundlastbasierte Energiewirtschaft und deren Energieinfrastruktur. Da Technologien zur direkten Speicherung von Elektroenergie in relevanten Größenordnungen derzeit nicht vorhanden sind, bietet sich die Umwandlung der Elektroenergie in chemische Energieträger, wie beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe mit hoher Energiedichte, an. Flüssige Kohlenwasserstoffe können sowohl als synthetische Kraftstoffe als auch zur Herstellung weiterer chemischer Produkte mit höherer Wertschöpfung verwendet werden und stellen somit eine wirtschaftlich interessante Alternative für die Chemie- und Energiewirtschaft dar.



Eine vielversprechende Möglichkeit zur chemischen Energiespeicherung bzw. chemischen Wertstoffproduktion besteht hierbei in der dezentralen Herstellung von Methanol oder höheren flüssigen Kohlenwasserstoffen aus CO2 und Elektrolyse-Wasserstoff, der aus fluktuierenden regenerativen Energiequellen erzeugt wird. Durch eine geeignete Kopplung von stationären CO2-Emittenten und -Verbrauchern kann CO2 in einem Kreislauf genutzt werden. Damit ist ein zukunftsweisender Weg zur stofflichen Verwertung von CO2 (CCU – Carbon Capture and Usage) vorgegeben.



Das Projekt

Im Rahmen des Forschungsprojektes DELTA soll ein wirtschaftlich und technisch flexibler Apparat zur elektrochemischen Herstellung von Wasserstoff mit integrierter, heterogen katalysierter Kohlenwasserstoffsynthese auf der Grundlage von CO2 und Wasserdampf entwickelt werden. Der auf einer tubularen und protonenleitenden keramischen Hochtemperaturelektrolysezelle (SOEC) und einer Syntheseeinheit mit optimaler Systemintegration basierende verfahrenstechnische Apparat stellt in einer späteren technischen Anwendung ein Basismodul dar, welches mit weiteren dieser Module zu einer flexiblen Gesamtanlage verschaltet werden kann und sich daher optimal für den dezentralen Einsatz eignet. Die Systemintegration ermöglicht dabei ein effizientes Energie- und Stoffstrom-Management sowie eine kompakte Bauweise des Apparates. Die Nutzung protonenleitender keramischer Membranen stellt eine innovative Entwicklung dar, da durch die Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff im angestrebten Temperaturbereich auf anschließende energieintensive und komplexe Prozessschritte verzichtet werden kann. Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung und praktische Demonstration eines integralen Reaktorsystems, welches durch geringe Systemkosten, geringe Energieverluste, hohe Systemwirkungsgrade sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Lastwechselfähigkeit charakterisiert ist.



Das Teilvorhaben des HZDR trägt zur Entwicklung des Gesamtsystems durch computergestützte Analyse der optimalen Strömungsführung mittels CFD- und FEM-Methoden unter Berücksichtigung von Thermodynamik, Stofftransport und Reaktionen innerhalb des DELTA-Reaktors sowie zur Entwicklung eines Konzeptes zur messtechnischen Erfassung von Prozessgrößen und Entwicklung eines regelungstechnischen Konzeptes bei. Hierbei stehen vor allem die Betrachtung des Prozessverhaltens des Gesamtsystems im Falle eines stark fluktuierenden Stromangebots aus intermittierenden regenerativen Energiequellen und die Entwicklung geeigneter abgeleiteter Prozessführungsstrategien im Vordergrund. Fernerhin erfolgen Systemanalysen zum Einsatz der Technologie für eine dezentrale Produktion weiterer chemischer Energieträger und Basischemikalien (z.B. Ammoniak).

Förderung

Gefördert durch die Europäische Union

  • Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
  • Projektträger: Sächsische Aufbaubank (SAB)
  • Projekttitel: Entwicklung eines tubularen Dampf-Elektrolyseurs mit integrierter Kohlenwasserstoffsynthese (DELTA)
  • Projektlaufzeit: 09/2016 – 08/2019

Kooperationen

  • Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Keramik-, Glas- und Baustofftechnik
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Technische Chemie
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

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