Optimization of the Solar Fuel Production of Multi Chamber Reactors

Kurzfassung

Einer der vielversprechendsten Ansätze für die angestrebte Reduktion der anthropogenen CO2-Emissionen ist die Nutzung von Wasserstoff, der durch die Verwendung von erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird. Eine aussichtsreiche Möglichkeit Wasserstoff herzustellen, ohne dabei CO2 zu emittieren, sind thermochemische Redox-Kreisprozesse. In diesen Prozessen wird Wasser durch die Oxidation eines Redox-Materials aufgespalten, welches in einem anschließenden Reduktionsschritt regeneriert wird. Die benötigte Wärmemenge für diesen Prozess wird durch konzentrierte Solarstrahlung bereitgestellt. Für die Produktion von großen Wasserstoffmengen stellt der Betrieb mehrerer chemischer Reaktoren innerhalb eines Solarturms einen aussichtsreichen Ansatz dar, aufgrund der limitierten Fenstergröße eines einzelnen Reaktors. Dabei sind die richtige Prozessführung hinsichtlich der Verteilung der verfügbaren Solarleistung des Heliostatenfeldes und die Prozessführung der einzelnen Reaktoren hinsichtlich der eintretenden Massenströme und der Reaktionszeiten der Schlüssel für die Maximierung der Wasserstoffproduktion. Da es bislang keine Publikationen zur Optimierung von Solarturmprozessen mit mehreren chemischen Reaktoren gibt, wird ein Optimierungsansatz in dieser Arbeit entwickelt. Das Hauptziel der Optimierung liegt in der Maximierung der Wasserstoffproduktion in Abhängigkeit von der verfügbaren solaren Leistung des Heliostatenfeldes und der verfügbaren Anzahl an Reaktoren. Der entwickelte Optimierer erreicht sehr hohe Ausnutzungsgrade hinsichtlich der verfügbaren solaren Leistung des Heliostatenfeldes. Die hohen Ausnutzungsgrade werden durch ein zeitliches Versetzen der einzelnen Prozesszyklen der Reaktoren erreicht. Durch die Optimierung der Prozessführung eines einzelnen Reaktors wird der hohe Ausnutzungsgrad der verfügbaren solaren Leistung in hohe Wasserstoff-Produktionsraten umgesetzt. Zwar erreicht der entwickelte Optimierer nicht das absolute globale Optimum hinsichtlich der Wasserstoffproduktion, trotzdem sind die Ergebnisse sehr vielversprechend. Des Weiteren ist der Optimierer sehr robust und schnell, sodass er als Benchmark für zukünftige Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet angesehen werden kann. Für die Entwicklung und Validierung des Optimierers wird ein bereits existierendes Computermodell eines chemischen Reaktors verwendet.