Dynamic Modelling of a Plant for Solar Hydrogen Production

Abstract

Die Erzeugung von Wasserstoff unabhängig von fossilen Rohstoffen ist eine wichtige Voraussetzung für den Weg in eine nachhaltige Chemielandschaft. Eine Methode stellt die solar betriebene zweistufige thermochemische Wasserspaltung dar. Hierbei wird ein Metalloxid (MO) zyklisch reduziert und oxidiert. Bei der Oxidation wird entsprechend folgender Reaktionsgleichung Wasserstoff erzeugt: Oxidation (bei ca. 800°C): MO(reduziert) + H2O --> MO(oxidiert) + H2 + Wärme Eine anschließende Reduktion ist notwendig, um das nach einiger Zeit weitgehend oxidierte Metalloxid zu regenerieren bzw. für die Spaltungsreaktion zu aktivieren: Reduktion (bei ca. 1300°C): MO(oxidiert) + Wärme --> MO(reduziert) + 1/2 O2 Die Wärme für die Reaktion wird von einem Heliostatfeld bestehend aus zweiachsig der Sonne nachgeführten Spiegeln bereitgestellt. Sie konzentrieren das Sonnenlicht auf einen Turm (Solarturm), auf dem sich ein Strahlungsempfänger befindet. Dieser heizt sich auf und fungiert gleichzeitig als Reaktor. Der Prozess wird seit 2002 in EU- geförderten Projekten untersucht, aktuell im Pro-jekt Hydrosol 3D. In Vorgängerprojekten wurde die Machbarkeit des Prozesses be-legt und ein 100kWth Pilotreaktor in Betrieb genommen. Auf der Grundlage dieser Erfahrungen wird nun ein Prozess mit einer Leistung von 1MWth ausgelegt. Bisher eher zweitrangige Fragestellungen wie Wärmerückgewinnung und Aufreinigung des Produktgases werden genauer beleuchtet. Flowsheeting- Aktivitäten und stationäre Simulationen wurden durchgeführt, um einen Ausgangspunkt für die Auslegung von Prozesseinheiten zu erhalten. Da der Prozess eine starke inhärente Dynamik aufweist (Umschalten zwischen Oxidation und Reduktion ca. alle 20 min.), ist eine anschließende dynamische Simulation un-umgänglich, um aussagekräftige Werte für Jahreserträge etc. zu erzielen. Im Simulationsprogramm Aspen Dynamics/ Custom Modeler wurde der Solarreaktor 2D-aufgelöst modelliert, um die dynamische Simulation des Gesamtprozesses zu ermöglichen. Die Ergebnisse werden anschließend für eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsanalyse verwendet.