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Solarthermische Wasserstoffherstellung mit Hilfe von Metalloxidzyklen
Martin Roeb 20. Kölner Sonnenkolloquium 2017 06. Juli 2017
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• Internationale Zielsetzungen für eine Dekarbonisierung der Energiewirtschaft
• Solare Redox-Chemie: Anwendungen
• Solare Wasserstoffproduktion
• Solare Sauerstoffpumpe
• Zusammenfassung
Inhalt
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Development of EU GHG emissions [Gt CO2e]
DLR.de • Chart 3
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Ambitious goals of IATA
DLR.de • Chart 4
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Europe‘s vision on the future hydrogen economy (source FCH-JU)
DLR.de • Chart 5
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Concept of a CO2-free Hydrogen Supply for Japan
Source: Kawasaki Heavy Ind.
DLR.de • Chart 6
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Japan‘s Vision of Future Energy Import
Source: Japan Ministry of Economics (METI)
DLR.de • Chart 7
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Fraction of E27 agricultural surface to provide European Kerosene demand of 2005:
DLR.de • Chart 8
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Solare Redox-Reaktionen mit Metalloxiden
DLR.de • Chart 9
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Thermochemische Redox-Kreisprozesse
Receiver
O2
H2
Heat Supply
H2O
Heat Release Oxidation
Reactor
Reduction Reactor
Solar
Metal Oxide Reduced Metal Oxide
CO2 CO air air N2
DLR.de • Chart 10
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Optionen für Solare Redox-Reaktionen
DLR.de • Chart 11
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Solare Brennstofferzeugung
DLR.de • Chart 12
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Solar Tower, Jülich
Carbon dioxide (CO2) Water (H2O)
Synthesis gas (H2 + CO)
Sustainable synthetic petrol, diesel, kerosene hydrogen, methanol, (fertilisers, polymers)…
e.g. Fischer-Tropsch-Plant
DLR.de • Chart 13
Vom Rohstoff zum Brennstoff
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Von der Grundlage zur Anwendung
Lange, Roeb, Energy, Jan. 2014; Roeb, Sattler, Science, Aug. 2013; Roeb, Neises, Energy Environ. Science, Sep. 2011; Roeb, Müller-Steinhagen, Science, Aug. 2010 etc.
www.DLR.de • Folie 14
Prozessthermodynamik Materialthermodynamik Materialentwicklung
Pilot-Anlage Design Simulation
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Vom Watt zum Megawatt
www.DLR.de • Folie 15
EU FP5 HYDROSOL
Sonn
enof
en 5
kW
EU FP6 H
YDRO
SOL-2
Sonn
enof
en 1
0 kW
So
lart
urm
100
kW
Labo
r 100
W
Sola
rtur
m c
a.1
MW
FP7 FCH-JU HYDROSOL-3D FP7 FCH-JU HYDROSOL_PLANT
2017
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Prinzip der solar-thermochemischen Wasserspaltung
MO = ferrites, ceria, perovskites…
DLR.de • Chart 16
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Projekte zur thermochemischen Wasser- und CO2 Spaltung
DLR.de • Chart 17
EU: Sun2Liquid
US-DOE: STCH
Mostoles, Spain Albuquerque, USA
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Projekt mHLS und Projekt ASTOR
DLR.de • Chart 18
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HYDROSOL_PLANT: Demonstration solar- thermochemischer Wasserspaltung auf einem Solarturm
DLR.de • Chart 19
VIDEO
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Thermochemische Pumpe
DLR.de • Chart 20
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DLR.de • Chart 21
Energiebedarf Vakuumpumpen
Brendelberger et al. "Vacuum pumping options for application in solar thermochemical redox cycles–Assessment of mechanical-, jet-and thermochemical pumping systems." Solar Energy 141 (2017): 91-102.
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Prinzip einer Thermochemischen Pumpe
DLR.de • Chart 22
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Thermochemische Ammoniak-Produktion
Principle: use solar thermal energy to (a) create hydrogen via water splitting (b) separate nitrogen from air via reversible redox reactions (c) synthesize ammonia via the classic Haber-Bosch route (a) Hydrogen production (b) Nitrogen production
(c)
Nitrogen production • Removal of oxygen from air via a
reversible redox reaction
(‘chemical looping’) • material: multivalent metal ions • at low temperatures: oxidation,
oxygen is removed • at high temperatures: reduction
DLR.de Chart 23
Vieten et al., J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13652.
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• Wege, die Energiewirtschaft zu dekarbonisieren, umfassen die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, CO2 Wiederverwertung und die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger
• Versorgungsszenarien basierend auf Wasserstoff als Energieträger wurden bereits ausgearbeitet (Japan und EU)
• Redox-Reaktionen eröffnen eine große Bandbreite von Anwendungsszenarien im Bereich der solaren Verfahrenstechnik
• Wasserstofferzeugung mittels thermochemischer Redox-Prozesse gehen in die Erprobungs- und Demonstrationsphase
• Solare Luftzerlegung und thermochemische Pumpen mit großem Potenzial im Bereich der Dünger- und Brennstoffherstellung
Zusammenfassung
DLR.de • Chart 24
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> Wasserstoff: Sauberer Brennstoff aus Wasser und Sonnenlicht > Thomey • WIR Wissenschaft im Rathaus > 09.01.17 DLR.de • Chart 25
Our Future Visions
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DLR.de • Chart 26
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Our work was co-funded by the Initiative and Networking Fund of the Helmholtz Association of German Research Centres, by the Federal State of Northrhine-Westfalia, by the European Commission, by the FCH-JU and by the US DOE (via subcontract).