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HyStORM Hydrogen Storage via Oxidation and Reduction of Metals

Im Rahmen des Entwicklungsvorhabens HyStORM wird ein innovativer Prozess zur dezentralen chemischen Speicherung und Freisetzung von komprimiertem Wasserstoff untersucht. Die Beladung des Speichers erfolgt durch die Reduktion einer auf Eisenoxid basierenden Kontaktmasse mit Synthesegas. Das Synthesegas wird in einem vorangegangenen Schritt aus Biokraftstoffen mittels Reformierung erzeugt. Das voll beladene Speichermedium liegt anschließend als metallisches Eisen vor und kann in dieser Form vollkommen sicher und verlustfrei gelagert oder transportiert werden. Die Entladung des Speichers erfolgt durch das Einspeisen von Wasser in das System. Das Wasser verdampft und oxidiert das Eisen wobei die Freisetzung von hochreinem Wasserstoff erfolgt. Die Verdampfung des Wassers führt zu einem Druckaufbau im System wodurch die Produktion von komprimiertem Wasserstoff ohne zusätzliche Verdichter möglich ist.

In Vorversuchen konnten die Projektpartner getrennt die Durchführbarkeit der einzelnen Prozessschritte erfolgreich nachweisen:

(i) die Reformierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen im dezentralen System
(ii) die Beladung des Wasserstoffspeichers mit Synthesegas und
(iii) die Wasserstofffreisetzung bei 25 bar.

Das Ziel des Projekts HyStORM ist die Entwicklung des neuartigen Speicherprozesses, bestehend aus:

• der Umsetzung von erneuerbaren Rohstoffen zu Synthesegas,
• der Beladung des Speichers mit Synthesegas und der
• Entladung des Speichers zur Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff bei 100 bar.

Ausgangssituation

Niedertemperatur-Brennstoffzellen sind technologisch ausgereift und zahlreiche Hersteller beginnen gegenwärtig mit der Serienproduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen. Ein wesentlicher Faktor für den Erfolg dieser Technologien ist die flächendeckende Verfügbarkeit von Wasserstoff an Tankstellen. Aktuell erfolgt die Wasserstoffproduktion vorwiegend zentral aus fossilen Rohstoffen. Der Wasserstoff wird anschließend komprimiert oder verflüssigt zum Verbraucher transportiert.Die Gasverdichtung und die Verflüssigung von Wasserstoff sind äußerst teure und energieintensive Prozesse. Aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff führt der Transport per LKW zusätzlich zu einem starken Anstieg des Verkehrsaufkommens. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Speicherung von großen Mengen an Wasserstoff. Die Speicherung von komprimiertem oder verflüssigtem Wasserstoff erfordert hohe Investitionskosten in die bestehende Infrastruktur. Diese Problemstellungen können durch eine dezentrale und bedarfsorientierte Bereitstellung von erneuerbarem Wasserstoff gelöst werden.

Projektverlauf

Durch die Kooperation des Instituts für chemische Verfahrenstechnik der TU Graz mit der innovativen KMU Rouge H2 Engineering Gmbh und der AVL List GmbH, die auf einen breiten Erfahrungsschatz im Bereich der Reformierung von Kohlenwasserstoffen zurückblicken kann, ist ein breites Konsortium erreicht worden um Fortschritte in der Prozessentwicklung zu erreichen. Besonders im Fokus des ersten Jahres stand eine wirtschaftliche Evaluierung des Prozesses zur dezentralen Wasserstofferzeugung und -speicherung. An Der TU Graz wurde bereits ein Hochdruckteststand in Betrieb genommen mit dem vielversprechende Ergebnisse erreicht und auch bereits publiziert wurden.

Zusätzlich konnte durch eine kontinuierliche Materialentwicklung der eingesetzen Kontaktmasse bereits eine Zyklenbeständigkeit des verwendeten Eisenoxids für bis zu 400 Zyklen im Labormaßstab nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf werden Versuche zur Zyklenbeständigkeit in einem Fixed-Bed Reaktor druchgeführt, um die Reproduzierbarkiet der Ergebnisse zu bestätigen. In der finalen Phase des Projekts erfolgt die Validierung der Technologie durch den Aufbau einer kompletten Laboreinheit. Darin wird die gesamte Prozesskette experimentell untersucht und damit eine Abschätzung von Gesamtwirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ermöglicht. Der fruchtbare Abschluss dieses vielversprechenden Projekts wird einen substantiellen Beitrag zur Entwicklung und zum Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur zur nachhaltigen Wasserstoffversorgung ermöglichen.

Ergebnisse

Ein Laborreaktor wird mit dem erzeugten Synthesegas zur Speicherung und Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff aufgebaut. Dazu wird die Zusammensetzung der eisenbasierten Reaktivmasse hinsichtlich der Reaktivität und Stabilität optimiert. Eine Zyklenstabilität des Eisenoxidpulvers von mindestens 100 Zyklen wird  in Laborversuchen angestrebt. Die eisenbasierte Kontaktmasse wurde  mit neuen Synthesemethoden weiterentwickelt. Ein neu errichteter Teststand ermöglicht vereinfachte Stabilitätsmessungen in Schüttungen.

Die zu erreichtende Laboranlage ermöglicht nach der Beladung mit Reformergas aus Biokraftstoffen die Wasserstoffspeicherung mit einem Freisetzungsdruck von bis zu 100 bar. Der Aufbau der Laborinfrastruktur für 100 bar Arbeitsdruck wurde erfolgreich abgeschlossen und weitere Verbesserungen des Systems und Umbauten werden laufend vorgenommen. Erste Messungen der Freisetzung von Hochdruckwasserstoff bei bis zu 50 bar wurden durchgeführt und die Ergebnisse veröffentlicht. Dabei wurde der Einfluss des Prozessdrucks auf die eisenbasierte Kontaktmasse und die  Wasserstoffreinheit untersucht. Analysen zur Kohlenstoffbildung zeigen, dass besonders in Bereichen mit niederer Temperatur außerhalb der eisenbasierten Kontaktmasse Kohlenstoff abgeschieden wird.

Im ersten Projektjahr wurde eine Marktanalyse zur Entwicklung dezentraler Wasserstofferzeuger weltweit erstellt. Die Möglichkeit zur dezentralen Versorgung einer Wasserstofftankstelle aus Erdgas wurde einem Referenzszenario der zentralisierten Produktion und Anlieferung gegenübergestellt. Die Analyse der Modellregion Kaohsiung diskutiert bereits geplante Pilotprojekte. Die Wasserstoffbereitstellung und geeignete erneuerbare Energieträger in der Modellregion werden identifiziert. Daraus werden  Szenarien für die Wirtschaftlichkeitsberechnung aus erneuerbaren Rohstoffen abgeleitet werden.

Veröffentlichungen:

G. Voitic, S. Nestl, K. Malli, J. Wagner, B. Bitschnau, F. A. Mautner, and V. Hacker, “High purity pressurised hydrogen production from syngas by the steam-iron process,” RSC Adv., vol. 6, pp. 53533–53541, 2016.
G. Voitic and V. Hacker, “Recent advancements in chemical looping water splitting for the production of hydrogen,” RSC Adv., vol. 6, pp. 98267–98296, 2016.

 

 

 

Steckbrief

Projektnummer
853633
Koordinator
Technische Universität Graz Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Projektleitung
Viktor Hacker, viktor.hacker@tugraz.at
Partner
AVL List GmbH
Rouge H2 Engineering GmbH
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
03.2016 - 02.2019
Budget
629.612 €