Technische Analyse und wirtschaftliche Bewertung von Solarreaktoren zur Schwefelsäurespaltung für die thermochemische Erzeugung von Wasserstoff

Guerra Niehoff, Alejandro; Sattler, Christian; Pitz-Paal, Robert

doi:10.18154/RWTH-2021-02860

Technische Analyse und wirtschaftliche Bewertung von Solarreaktoren zur Schwefelsäurespaltung für die thermochemische Erzeugung von Wasserstoff = Technical analysis and economic assessment of solar reactors for the decomposition of sulfuric acid for the thermochemical generation of hydrogen

Guerra Niehoff, Alejandro^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alejandro Guerra Niehoff

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor)^RWTH* ; Sattler, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-02860
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/815829/files/815829.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Projekte

SOL2HY2 - Solar To Hydrogen Hybrid Cycles (325320) (325320)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bajonett-Reaktor (frei) ; CSP (frei) ; Energietechnik (frei) ; HyS (frei) ; Schwefelsäure (frei) ; Schwefelsäurespaltung (frei) ; Solarreaktor (frei) ; Solartechnik (frei) ; Wasserstofferzeugung (frei) ; Wirtschaftlichkeit (frei) ; bayonet reactor (frei) ; concentrated solar power (frei) ; economic analysis (frei) ; hybrid sulfur cycle (frei) ; hydrogen production (frei) ; solar reactor (frei) ; solare Verfahrenstechnik (frei) ; sulfuric acid decomposition (frei) ; thermochemical cycle (frei) ; thermochemische Kreisprozesse (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die elektrochemische Umsetzung von schwefliger Säure zu Schwefelsäure und Wasserstoff erfordert im Vergleich zur technisch etablierten Wasserelektrolyse etwa ein Drittel der elektrischen Energie. Wird die Schwefelsäure in einem zweiten, thermischen Verfahrensabschnitt wieder zu SO${_2}$ reduziert und so im Kreislauf geführt, spricht man vom hybriden Schwefelsäure-Kreisprozess, dem in Kopplung mit konzentrierenden Solarsystemen hohes Potenzial zur energieeffizienten Massenproduktion von Wasserstoff zugesprochen wird. Zwei Prinzipien sind für die Einbringung solarthermisch erzeugter Wärme in den Verdampfungsvorgang (bis 500 °C) und für die Spaltungsreaktion von SO${_3}$ (bis 1000 °C) denkbar: 1) Direkte Bestrahlung intermittierend betriebener Receiver-Reaktoren. 2) Zwischenschaltung eines Wärmekreislaufs mit Wärmespeicher, um so die gesamte chemische Anlage kontinuierlich zu betreiben. Entsprechende Reaktorkonzepte werden durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt bzw. durch das Savannah River National Laboratory (USA) entwickelt und demonstriert. Die vorliegende Arbeit stellt beide Konzepte systematisch einander gegenüber, um Entscheidungshilfen für eine Weiterentwicklung hin zum industriellen Maßstab bereitzustellen. Thermodynamische Modelle in räumlich eindimensionaler und zeitlicher Auflösung werden aufgesetzt, um auf die spezifischen Verlustmechanismen, erzielbare Volllaststunden und den Jahresertrag zu schließen. Vorweg wird dargelegt, in welchem Ausmaß die Rückgewinnung freier Wärme, die Aufkonzentrierung der aus dem Elektrolyseur tretenden Schwefelsäure, sowie ein erhöhter Betriebsdruck für die energetisch sinnvolle Integration in einen Gesamtprozess erforderlich sind. Der Vergleich gelangt zum Ergebnis, dass das indirekt beheizte Verfahren – hier mit Luft als Wärmeträgermedium – signifikant höhere Erträge erwarten lässt. Dessen voll integriertes Reaktorkonzept kann im gesamten erforderlichen Teillastbereich effizient betrieben werden. Hingegen haben die täglichen Kaltstarts des thermisch trägen, direkt bestrahlten Systems erhebliche Ertragsverluste zur Folge. Lassen die Reaktoren hohe Bestrahlungstransienten nicht uneingeschränkt zu, ist standortabhängig mit weiteren Einbußen zu rechnen. Werden ehrgeizige Entwicklungsziele für die SO${_2}$-depolarisierte Elektrolyse erreicht, Skaleneffekte ausgereizt, Receiver-Wirkungsgrade von 0,8 und hohe Nutzungsgrade erzielt, lassen sich die Wasserstoffgestehungskosten auf nahe 4 €/kg beziffern; davon anteilig 2,2 €/kg für die solare Bereitstellung von SO${_2}$ aus Schwefelsäure. Langfristig muss dieser Wert deutlich unterschritten werden, wenn das Verfahren eine wirtschaftliche Alternative zur Wasserelektrolyse darstellen soll.

The hybrid sulfur (HyS) cycle, coupled with concentrated solar power, is a high-potential candidate for energy-efficient mass production of hydrogen. Sulfurous acid is electrochemically processed into sulfuric acid and hydrogen in a first step, which effectually requires one third of the electric energy needed for conventional water electrolysis. In a second step, sulfuric acid is decomposed thermally into sulfurous acid in order to be reprocessed. Two approaches are conceivable to provide solar heat for the evaporation (up to 500 °C) and decomposition (up to 1000 °C) of sulfuric acid: (1) The reactors are directly irradiated and operated intermittently, avoiding the need for an additional heat carrier. (2) An interposed thermal cycle with heat storage enables continuous operation of the entire chemical plant. Suitable reactor concepts are under development by German Aerospace Center and Savannah River National Laboratory (USA) – demonstrated in laboratory and, partly, in a representative environment. This work undertakes a systematic comparison of both concepts in order to provide a guideline for the definition of further development towards the industrial scale. 1D transient thermodynamic models are developed to determine the related mechanisms of loss, and to extrapolate achievable full load hours, yield, and hydrogen production costs. As a basis for this comparative analysis, the thesis addresses requirements concerning heat recovery, sulfuric acid concentration level prior to its reprocessing, and the operating pressure, ensuring the efficient integration of both concepts into an overall process. It emerges from the analysis that the indirectly heated system – exemplarily investigated with air as heat carrier – promises significantly higher yields. Its fully integrated reactor concept can be operated efficiently over the required part load range, whereas daily cold start-ups of the bulky, directly irradiated system, imply substantial losses. Relative yields are likely to be yet further diminished, depending on local irradiation conditions, transient thermomechanical loads and the reactors’ durability. If ambitious development goals for the sulfur dioxide-depolarized electrolyzer (SDE) can be met, and provided that thermal receiver efficiencies, utilization levels and economies of scale of the solar plant are largely exploited, hydrogen costs are estimated to be close to 4 €/kg; with a share of 2.2 €/kg for the solar recycling of sulfuric acid. In the long term, if the process is to provide an economic alternative to water electrolysis, this value must be substantially lower.

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