Dynamische Modellierung einer Anlage zur solaren Wasserstoffherstellung

Kurzfassung

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 Projekt Hydrosol 3D. In Vorgängerprojekten wurde die Machbarkeit des Prozesses belegt und ein 100 kWth Pilotreaktor in Betrieb genommen. Auf der Grundlage dieser Erfahrungen wird nun ein Prozess mit einer Leistung von 1 MWth ausgelegt. Bisher eher zweitrangige Fragestellungen wie Wärmerückgewinnung und Aufreinigung des Produktgases werden genauer beleuchtet. Flowsheeting- Aktivitäten und stationäre Simulationen wurden mit der Software Aspen Plus 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 unumgänglich, um aussagekräftige Werte für Jahreserträge etc. zu erzielen. Im Simulationsprogramm Aspen Plus Dynamics/ Aspen Custom Modeler wurde der Solarreaktor 2D-aufgelöst modelliert, da kein vergleichbarer Reaktor in der Aspen- Bibliothek von Grundoperationen existiert. Anschließend wurde das Reaktormodell mit Standardkomponenten aus Aspen verbunden, um den Gesamtprozess dynamisch abzubilden. So können Jahressimulationen mit realistischen Wetterdaten durchgeführt werden. Dadurch wurde unter anderem die Analyse von Betriebsstrategien und An- und Abfahrvorgängen ermöglicht. Das Solarfeld und andere Prozesseinheiten können besser ausgelegt werden und die Prozessstabilität bei Störungen wie z. B. Wolkendurchgang kann untersucht werden. Die Ergebnisse der detaillierten Prozessauslegung werden anschließend für eine Wirtschaftlichkeitsanalyse verwendet.