Mit Schwefel Sonnenenergie speichern

Im Sonnenturm Jülich soll die Technologie, um Sonnenwärme in der chemischen Bindung von Schwefel zu speichern, unter realen Bedingungen erprobt werden. (Bild: DLR)

Einen innovativen Speicher für Sonnenenergie wollen Forscher auf Basis von Schwefel entwickeln. In einem geschlossenen Schwefel-Schwefel­säure-Kreislauf ließe sich Sonnenwärme im großen Maßstab chemisch speichern und in der Nacht als Brennstoff nutzen. Dies könnte langfristig die Basis einer grundlast­fähigen und wirtschaft­lichen erneuer­baren Energie­quelle sein.

„Mit Sonnenkraftwerken lässt sich sehr effektiv Prozesswärme einfangen und Schwefel könnte der passende Speicher sein, um diese für die grundlast­fähige Strom­produktion zu nutzen“, erklärt Dimostenis Trimis vom Engler-Bunte-Institut am Karlsruher Institut für Technologie. Schwefel und Schwefel­säure wird in vielen industri­ellen Anwendungen genutzt und es existieren bereits viele etablierte, chemische Verfahren etwa die Vulkani­sierung, die Schwefelsäure­produktion selbst bis hin zur Rauchgas­entschwefelung. „Um die Verbrennung von Schwefel als nachhaltige Energie­quelle auf Industrie­maßstab zu nutzen, steht uns also bereits ein gut gefüllter Werkzeug­kasten von Verfahrens­techniken zur Verfügung.“

Das langfristige Ziel von PEGASUS ist die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Solar­turm­kraft­werks. Dazu wird ein Solar­absorber mit einem thermo­chemischen Speicher­system für Sonnen­energie auf Grundlage von elementarem Schwefel und Schwefel­säure kombiniert. Dies verspricht eine signifikante Kosten­reduktion im Vergleich zu aktuellen Konzepten. Die Techno­logie wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich erprobt. Gesamt­koordinator ist das Institut für Solar­forschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR.

Das vom KIT durchgeführte Teilprojekt entwickelt die konkrete technische Umsetzung der Verbrennung. Im Laboratoriums­maßstab entsteht dazu ein Schwefel­brenner, der es ermöglicht in einem Bereich von zehn bis fünfzig Kilowatt stabile Verbrennungs­bedingungen bei hohen Leistungs­dichten zu erreichen – bei atmosphä­rischen Bedingungen und Temperaturen von über 1400 Grad Celsius. Insbesondere die Leistungs­dichte erlaubt einen effektiven Einsatz von Schwefel als Brennstoff zur Strom­produktion. „Auch wenn der Begriff Verbrennung oft mit fossilen Techno­logien verbunden wird, zeigen wir hier, dass Verbrennungs­technologie ein wichtiger Baustein des Energie­systems auch im Kontext der Energiewende ist“, so Trimis.

Der elementare Schwefel entsteht aus der Dispropor­tionation von Schwefeldioxid, also der Umsetzung von Schwefel­dioxid in Schwefel und Schwefel­säure. Das fokussierte Sonnen­licht des Sonnen­wärme­kraft­werks liefert als Prozess­wärme die notwendige Energie und Temperatur, um den Schwefel­kreislauf zu schließen und im Beisein der geeigneten Kataly­satoren wieder aus Schwefel­säure Schwefel­dioxid zu machen. Auch das Verbren­nungs­produkt von Schwefel ist Schwefel­dioxid.

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführ­barkeit des Gesamt­prozesses demonstriert, das detaillierte Gesamt­fließ­schema erstellt und eine Analyse des optimierten, integrierten Prozesses, der auf fünf Megawatt thermischer Leistung skaliert ist, durchgeführt. Prototypen der Schlüssel­komponenten wie Solarabsorber, Schwefelsäure­verdampfer, Schwefel­trioxid-Zersetzer und Schwefel­brenner werden entwickelt und am Solarturm­kraftwerk getestet. Ebenso werden die Materialien, die für Wärme­einfang, -übertrag, -speicher und die als Kataly­satoren der chemischen Reaktionen notwendig sind, auf Effizienz und Langzeit­stabilität getestet.

Das angestrebte Konzept für Solarturmkraftwerken zeichnet sich durch ein günstiges Wärme­speicher­medium aus und durch die Nutzung der gespei­cherten Energie­menge in einem Brenner lassen sich diese Kraftwerke grund­last­fähig machen. Dadurch werden ihre System­kosten langfristig geringer als bei Photo­voltaik­anlagen eingeschätzt.

Partner im Projekt PEGASUS sind das KIT, das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt und das griechische Forschungs­zentrum CERTH (griechisch EKETA) sowie die Industrie­partner Brightsource Industries aus Israel, Processi Innovativi aus Italien und Baltic Ceramics aus Polen. Das Projekt wird mit rund 4,7 Millionen Euro aus dem Forschungs­rahmen­programm Horizon 2020 der EU gefördert. (Quelle: KIT)

Links: Projekt Renewable Power Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage Cycle PEGASUS, Engler-Bunte-Institut, Teilinstitut Verbrennungstechnik (EBI-vbt), KITKIT-Zentrum Energie, Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Beiträge: Solarer Wasserstoff aus Schwefelsäure, energyviews.de, 17. Oktober 2016

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