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LIMTECH: Projekt B5: Kohlendioxidfreie Entwicklung von Wasserstoff durch thermische Spaltung in metallischen Schmelzen

Leitung:Prof. Dr.-Ing. E. Baake (Teilprojekt ETP)
Bearbeitung:M.Sc. Tristan Fehling (Teilprojekt ETP)
Laufzeit:10/2012 – 09/2017
Förderung durch:Helmholtz Gemeinschaft deutscher Forschungszentren
Bild LIMTECH: Projekt B5: Kohlendioxidfreie Entwicklung von Wasserstoff durch thermische Spaltung in metallischen Schmelzen

In unserer modernen Gesellschaft ist Wasserstoff eine alternative Energiespeichermöglichkeit für aktuelle und zukünftige Anwendungen für Brennstoffzellen in Fahrzeugen sowie als Reduktions- oder Kühlmittel. Zur Herstellung sind derzeit klassische Methoden, wie das Steam Reforming verfügbar. Eine Problematik hierbei ist die Bildung von Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt. Im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung wird in diesem Projekt eine andere Methode der thermischen Spaltung verwendet. Hierbei wird ein Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan oder Ethan ab einer Temperatur von 600 °C in Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespalten. Dazu wird flüssiger Zinn in die Säule gegeben und Methan über eine Öffnung an der Unterseite eingeführt. Das eingeführte Methan steigt in Form von Blasen im flüssigen Zinn auf und zersetzt sich während der Verweilzeit in der Schmelze in Kohlenstoff und Wasserstoff. Der Kohlenstoff sammelt sich an der Oberfläche der Schmelze und kann über eine spezielle Vorrichtung abgetrennt und damit in reiner Form gewonnen werden, während der Wasserstoff an der Oberseite aufsteigt und separat gesammelt werden kann. Das System wird grundsätzlich elektrisch widerstandsbeheizt. Die Möglichkeit der induktiven Erwärmung ist Teil der Untersuchung.

Zur Optimierung der Wasserstoffproduktion sind verschiedene Parameter, wie beispielsweise Blasengröße, Verweilzeit, Reaktionstemperatur sowie die Konzentration von Reaktanten und Katalysatoren von Bedeutung. Zur Untersuchung und Optimierung dieser Einflussfaktoren werden numerische Simulationen am ETP durchgeführt. Hierzu werde Studien an Einzelblasen in Abhängigkeit von deren Größe und Einlassvolumenströmen untersucht. Zur Erhöhung der Verweilzeit und damit zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute wird der Einfluss unterschiedlicher Einlässe, sowie Installationen wie Packed Beds erforscht, ebenso wie Koaleszenzuntersuchungen für Mehrfacheinlässe. Die Möglichkeit zur Steuerung der Dynamik durch elektromagnetische Felder und der möglichen Zertrennung von Einzelblasen durch elektromagnetisches Rühren ist Teil der Untersuchung. Ein wichtiges Ziel ist hier zudem das Scaling-Up des Systems. Für die Validierung werden Untersuchungen mit Hilfe der Neutronen-Radiographie durchgeführt. Ebenso läuft die Entwicklung von Solvern zur Kopplung von Blasendynamik basierend auf Euler-Euler-Methoden, der elektromagnetischen Berechnung sowie der Chemie zum Vergleich von berechneter und experimentell erreichter Wasserstoffausbeute.

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