Exergieanalyse von solargetriebenen Kreisprozessen zur regenerativen Produktion von Wasserstoff und dem Ausblick auf ein neues Verfahrensprinzip

Abstract

Im ersten Teil der Arbeit werden einige Methoden zur solarchemischen Energiewandlung skizziert. Darunter finden sich solche wie die thermochemische, elektrochemische und die photochemische Energiewandlung. Alle hier beschriebenen Verfahren befinden sich mehr oder minder im Stadium der Entwicklung, wobei die elektrochemische Wasserzerlegung am weitesten fortgeschritten ist. Es wird unteranderem eine Modellbeschreibung vorgestellt, mit der es gelingt den solaren Energiebedarf für physikalisch-chemische Kreisprozesse - beispielsweise für thermo-chemische Kreisprozesse - zu beschreiben.<br />Physikalisch-chemische Prozesse haben ihre Gemeinsamkeit in einem Reduktions- und einem Oxidationsschritt. Sie werden deshalb auch als Redox-Prozesse bezeichnet. Das Ziel all dieser Verfahren ist die regenerative solargetriebene Produktion von Wasserstoff. Neben der Wasserzerlegung gewinnt zusehends die solarchemische Dissoziation von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid in Hinblick auf die Synthesegasherstellung als Ausgangspunkt für Solar Fuels an Bedeutung. In der gegenständlichen Arbeit wird darüber hinaus ein Einblick auf eine völlig neue Technologie zur Energiewandlung von Strahlungsenergie in chemisch gebundene Energie gewährt. Es handelt sich dabei um eine photoelektro-thermochemische Zelle. Diese ist letztlich dazu geeignet, die Energie der Solarstrahlung in chemisch gebundene Energie beispielsweise in Form von molekularem Wasserstoff umzuwandeln. Das besondere an diesem neuen Verfahren ist, dass nicht, wie bei herkömmlichen solarchemischen Verfahren, nur die thermische Energie genutzt wird, sondern auch die Tatsache, dass die Solarstrahlung eine Photonenstrahlung ist. Die kurzwellige und teils hochenergetische Photonenstrahlung wird dazu benutzt einen photoinduzierten Stromfluss zu bewirken. Die langwellige Photonenstrahlung äußert sich als Wärmestrahlung und führt zur Reduktion der thermodynamischen Zerlegungsspannung des Wasserdampfes. Der photoelektrische Effekt, vereint mit elektro-thermochemischer Reaktionsführung, stellt das Grundprinzip für diese neuartige und aussichtsreiche Technologie zur Umwandlung von Solarenergie in chemisch gebundene Energie in Form von molekularem Wasserstoff dar.<br />

In the first part of this work different methods for solar chemical energy conversion are shown. These include energy conversion processes like the thermochemical, the electrochemical and the photochemical one. Only the electrochemical water-splitting process is applied in practice. To the other ones, the proofs of concept are being in progress. In addition to that, a mathematical model is shown for describing the solar energy demand driving a two-step water-splitting process. For a cyclic behavoir physical-chemical processes, like a thermochemical or an electrochemical process, needs a reduction step followed by an oxidation step. Such processes called redox-cycles. The aim of all these introduced cycles is the solar driven hydrogen production. According to that the solar chemical dissociation of carbon dioxide to carbon monoxide is becoming more and more interesting in terms of solar fuels. In the actual work the investigation will focus on a new technology for the conversation of radiation energy into chemical energy, especially the photo electro-thermochemical cell. Finally such a cell is suitable to obtain hydrogen directly from solar energy by one-step water-splitting. In this way the solar energy can be stored in form of molecular hydrogen. While other solar energy conversion technologies are using the thermal energy of the solar irradiation only, in the presented method the combination of the thermal and the photonic energy is used, which means the short-wave photonic energy as well as the long-wave photonic energy is used. In more detail, the short-wave radiation, which is richer on energy, results in a photo induced current flow, while the long-wave photonic energy leads in a reduction of the thermo dynamical water-splitting voltage. In addition to internal loses the thermal energy, mainly caused by long-wave radiation, is used for the activation of the solid oxide membrane. The photoelectrical effect in combination with an electrothermochemical regime represents the basic of a novel and promising technology for energy conversion of solar energy in storable chemical energy.