Erneuerbare Energien grundlastfähig machen

Mit Schwefel Sonnenenergie speichern

Einen innovativen Speicher für Sonnenenergie wollen Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und europäische Partner 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.

Die Technologie, um Sonnenwärme in der chemischen Bindung von Schwefel zu speichern, wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich erprobt werden. (Foto: DLR)

Dies könnte langfristig die Basis einer grundlastfähigen und wirtschaftlichen erneuerbaren Energiequelle sein. Die EU hat für die Vorentwicklungen im Projekt PEGASUS rund 4,7 Mio. Euro bewilligt.

„Mit Sonnenkraftwerken lässt sich sehr effektiv Prozesswärme einfangen und Schwefel könnte der passende Speicher sein, um diese für die grundlastfähige Stromproduktion zu nutzen“, erklärt Prof. Dimostenis Trimis vom Engler-Bunte-Institut am KIT. 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 (STJ) in Deutschland erprobt. Gesamtkoordinator von PEGASUS ist das Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR.

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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 10 bis 50 kW stabile Verbrennungsbedingungen bei hohen Leistungsdichten zu erreichen – bei atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen von über 1400 °C. 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 Sonnenwärmekraftwerkes 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.

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses demonstriert, das detaillierte Gesamtfließschema erstellt und eine Analyse des optimierten, integrierten Prozesses, der auf 5 MG 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 Karlsruher Institut für Technologie, das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) 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 4,695 Mio. Euro aus dem Forschungsrahmenprogramm Horizon 2020 der EU gefördert.

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