One-Reactor Konzept für die effiziente Wasserstoffspeicherung in LOHC

Um einen vollständigen Umstieg auf regenerative Energien zu ermöglichen, ist der Ausbau von Speicherkapazitäten und Transportmöglichkeiten unabdingbar. Zu den vielversprechendsten Energieträgern zählt dabei Wasserstoff, da er aus regenerativen Quellen erzeugt werden kann und, im Gegensatz zu kohlenstoffbasierten Kraftstoffen, bei der Verwendung kein Kohlendioxid freisetzt. Die Speicherung von Wasserstoff in komprimierter oder verflüssigter Form ist jedoch mit einem hohen Energie- und Kostenaufwand verbunden. Alternative Speicherkonzepte wie die Verwendung von flüssigen, organischen Trägersubstanzen (Liquid Organic Hydrogen Carrier, kurz LOHC), welche durch Hydrierungs- und Dehydrierungsreaktionen den Wasserstoff chemisch binden und wieder freisetzen können, bieten daher großes Potential. Durch die reversible Fixierung des Wasserstoffs in der Flüssigkeit wird die Handhabbarkeit des Energieträgers vereinfacht und beim Energietransport kann auf bereits bestehende Infrastruktur zurückgegriffen werden.

Erste Umsetzungsvorschläge der LOHC-Technologie sehen die Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff als räumlich getrennte Verfahren vor, die in zweierlei Apparaten unter Verwendung verschiedener Katalysatoren und Bedingungen betrieben werden. Sollen jedoch die Be- und Entladung des Speichermediums je nach Energiebedarf am selben Ort erfolgen, ist eine kompaktere Systemlösung wünschenswert. Um die Nutzung von LOHC im stationären Anwendungsfall effizienter zu gestalten, wurde daher an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ein Konzept entwickelt, das sowohl die Speicherung als auch die Freisetzung von Wasserstoff in einem einzelnen Reaktor ermöglicht. Dabei werden bei der Hydrierung und Dehydrierung derselbe Katalysator bei gleichbleibendem Temperaturniveau verwendet und die Richtung der Reaktion durch den Druck und Hydriergrad des LOHCs beeinflusst. Die Beschränkung auf einen Reaktor senkt sowohl die Investitionskosten aufgrund des geringeren apparativen Aufwands als auch die Betriebskosten, da im laufenden Anlagenbetrieb keine Aufheiz- oder Abkühlphasen beim Wechsel von Hydrierung (exotherm) zu Dehydrierung (endotherm) anfallen. Darüber hinaus ermöglicht die Umsetzung des Ein-Reaktor-Konzepts (auch Hot Pressure Swing Reactor Konzept oder one-Reactor Konzept genannt) eine Wärmeintegration, wobei die Abwärme des Produktstroms für die Aufheizung des in den Reaktor eingehenden LOHCs verwendet werden kann.

Für die Erprobung des Ein-Reaktor-Konzepts wurde eine entsprechende Anlage im Technikumsmaßstab geplant und errichtet, welche am Energie Campus Nürnberg in Betrieb genommen werden soll. Ziel ist die Untersuchung diverser Betriebspunkte (beispielsweise die Variation von Temperatur- und Druckniveaus, Fließschemata und Recycleströmen der Flüssigphase) zur Erstellung eines aussagekräftigen Kennfelds der Anlage. Untersuchungen hinsichtlich der erreichbaren Wasserstoffbeladungen, Be- und Entladegeschwindigkeiten, Regeneration des Katalysators, Langzeitstabilität des LOHCs und Flexibilität des Systems spielen dabei eine wichtige Rolle und sollen die Daten für eine Parametrisierung und Automatisierung der Anlage liefern.