Kontext / Hintergrund

Große solarthermische Kraftwerke können mit Hilfe von Wärmespeichern kontinuierlich Strom erzeugen, d.h. sie sind grundlastfähig. Typische Leistungsgröße ist etwa 50 MW (z.B. Kraftwerk Andasol 3 in Spanien). Kleinere thermische Speicher kühlen sehr schnell aus und sind unrentabel bzw. das Gesamtsystem ist nicht grundlastfähig. Da grundsätzlich für alle Energieressourcen und -technologien die Möglichkeit effizienter kleinmaßstäbiger, dezentrale Umsetzungen wünschenswert ist, sind alternative Wärmespeicher erforderlich. Eine solche Alternative kann die chemische Speicherung von Wärme darstellen, die konzeptionell schon seit längerem bekannt ist, allerdings noch weit von einer breiten energietechnischen Anwendung entfernt ist.

Fragestellung / Ziele

Im Projekt SolChem wurden chemische Speicher untersucht, die anstelle von thermischen mit kleineren Solaranlagen (einige kW bis wenige MW) effizient gekoppelt werden können. Innovationen bestanden insbesondere in der Verwendung von mikroverfahrenstechnischen Komponenten für die Reaktionen „Methylcyclohexan <=> Toluol + 3H₂“ und von nanoskaligen Materialien zur Speicherung des Wasserstoffs.

Im Rahmen des Teilprojekts wurden von ITAS forschungsbegleitend nachhaltigkeitsorientierte systemanalytische Untersuchungen durchgeführt. Ziele waren die Optimierung des SolChem-Konzeptes und die Positionsbestimmung des Konzeptes im Vergleich mit anderen Ansätzen wie z.B. elektrolytische Wasserstofferzeugung mit Solarstrom und direkte Rückverstromung bei fehlender Sonneneinstrahlung. Untersuchungsschwerpunkte bildeten Umweltaspekte. Anhand der Ergebnisse sollen Anwendungsfelder identifiziert werden, auf denen das SolChem-Konzept Beiträge zu einem nachhaltigen Energiesystem leisten kann.

Ergebnisse

Die Arbeiten erfolgten über die gesamte Projektdauer. Die angewendeten Methoden waren im Wesentlichen Stoffstrom- und Lebenszyklus basiert (z.B. umweltbezogenes Life Cycle Assessment - LCA). Die Systemanalyse gliederte sich in fünf Arbeitspakete.

1. Grundlegende System- und methodische Definitionen
2. Datenerhebung
3. Modellentwicklung
4. Betriebs-Simulation unter verschiedenen Randbedingungen
5. LCA-Bewertung und Schwachstellenanalyse

Wesentliches Merkmal war die enge Zusammenarbeit mit den Projektpartnern. Datenerhebung und Modellentwicklung erfolgten in Abstimmung bzw. mit Unterstützung durch die technischen Partner; Kernprozesse wurden weitestgehend durch im Projekt gewonnene Daten beschrieben. Anschließend wurde der Betrieb des Systems mit Real-Sonnenstrahlungsdaten für verschiedene europäische Standorte ausgelegt und simuliert. Besonderes Augenmerk wurde auf die verschiedenen Anforderungen an das Speichersystem resultierend aus kurz- und aus langfristigen Elektrizitätsbedarfs-Schwankungen (Tag/Nacht bzw. Sommer/Winter) gelegt. Kritischer Prozessparameter für die kurzfristigen Schwankungen ist bspw. die Dauer von Anfahrvorgängen (Ansprechverhalten); für langfristige Schwankungen sind Speicherdichte und Lagerbarkeit wichtig.

In frühen Stadien der Technologieentwicklung sind belastbare Aussagen aus LCAs stets schwierig abzuleiten. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Verwendungsdauer der Katalysatoren in den Reaktoren großen Einfluss auf das Ergebnis der Ökobilanz haben. Des Weiteren ist der Bau der Anlage im Verhältnis zum Betrieb sehr aufwendig. Demzufolge ist auch die Lebensdauer der gesamten Anlage von großer Relevanz.