Magazin Forschung 2019

52 | ENERGIE UND MOBILITÄT
QUARREE100 – Entwicklung eines
Eisen-Redox-Speichers
Die Energiewende braucht zu ihrem Gelingen neue Impulse und Lösungen. Die OTH Regensburg
entwickelt ein System, das fluktuierende erneuerbare Energien in Form von Wasserstoff zwischenspeichern
kann. Ein Elektrolyseur verwendet hierbei den Strom um Wasser zu Sauerstoff und
Wasserstoff zu spalten. Der Wasserstoff wird in einem neuartigen Energiespeicher, basierend auf
Eisenoxid-Pellets, bei hohen Temperaturen zwischengespeichert. Für die Rückverstromung wird
der Wasserstoff in einen angepassten Verbrennungsmotor geführt. Das System wird zunächst
für den Einsatz im Bestandsquartier ausgelegt.
Die OTH Regensburg arbeitet unter der Leitung von Prof.
Dr.-Ing. Belal Dawoud, Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner und
Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Rabl fakultätsübergreifend mit
drei Laboren an dem Eisen-Redox-System. Mitarbeiter
des Labors für Sorptionsprozesse, der Forschungsstelle für
Energienetze und Energiespeicher und des Labors für
Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlung sind
an der Simulation, der Weiterentwicklung und dem Aufbau
dieses Systems beteiligt. Das dem Speicher zugrundeliegende
Prinzip der thermochemischen Eisenoxid-
Reduktion mit Wasserstoff ist bereits seit mehreren Jahrzehnten
in der Industrie bekannt.
Ziel der Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines Systems
zur Zwischenspeicherung von Strom aus erneuerbaren
Energien mit hoher Energiedichte. Das heißt das
System kann auf ein geringes Gewicht oder ein geringes
Volumen große Mengen an Energie speichern.
Der regenerativ erzeugte Strom wird zunächst zur Spaltung
von Wasser H 2 O zu Wasserstoff H 2 und Sauerstoff
O 2 mittels Elektrolyse verwendet. Wasserstoff ist zwar ein
stark flüchtiges Gas, hat aber eine hohe massenspezifische
Energiedichte und viele Einsatzmöglichkeiten. So
kann Wasserstoff neben der energetischen Verwertung
auch in der Mobilität verwendet werden und bildet einen
wichtigen Grundbaustein in der Industrie. In der Wissenschaft
liegt der Fokus bei der Wasserstoffspeicherung
bisher auf kryogenen Systemen (Speicherung bei extrem
niedrigen Temperaturen) und Druckspeichern.
Alle der drei heute verfügbaren Elektrolysetechnologien
(Alkalisch, Sauer bzw. PEM und Hochtemperatur) haben
die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff gemein
und können potentiell in das Eisen-Redox-System integriert
werden. Eine Sonderstellung hat hierbei die Hochtemperaturelektrolyse,
da diese aufgrund der benötigten
hohen Temperaturen zwar große Synergien mit dem
Reaktor aufweist, aber aktuell noch am wenigsten
erforscht ist. Der hergestellte Sauerstoff wird für die
spätere Verwendung im Verbrennungsmotor zwischengespeichert.
Um Energie speichern zu können wird der Wasserstoff
dem Eisen-Redox-Reaktor und damit dem Kern des Systems
zugeführt. Dieser Reaktor ist mit Eisen- bzw. Eisenoxid-Pellets
gefüllt und bildet den thermochemischen
Energiespeicher im System. Beim Einspeichern reagiert
der Wasserstoff bei Temperaturen von über 700 °C mit
dem Eisenoxid Fe 3 O 4 und reduziert
dieses zu reinem Eisen Fe.
Dabei wird Wasserdampf frei,
welcher dem Elektro lyseur zugeführt
werden kann. Zum Ausspeichern
wird dem reversiblen
Speicherprozess überhitzter Wasserdampf
zur Oxidation der
Eisen-Pellets zugeführt. Dadurch
reagieren die Pellets, unter Freisetzung
von Wasserstoff, wieder
zu dem anfänglichen Eisenoxid
zurück.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des Eisen-Redox-Speichers,
eigene Darstellung nach Roß und Heine