Entwicklung eines Reaktors mit hoher Zyklenstabilität für die indirekte Wasserstoffspeicherung über die Eisen-Wasserdampf-Reaktionsroute (BOY-200)

Ein zentraler Baustein einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft im Zuge der Energiewende ist die effiziente Speicherung von Wasserstoff. Die indirekte Speicherung von Wasserstoff in Eisen und seinen Oxiden ist insbesondere für dezentrale Anwendungen vielversprechend, da sie eine hohe volumetrische Speicherdichte, gute Lagerstabilität sowie die Bereitstellung von Wasserstoff hoher Reinheit ermöglicht und damit eine attraktive Alternative zu Metallhydridspeichern, LOHCs, Drucktanks oder Wasserstoffderivaten darstellt. Dabei werden Eisenoxide mit grünem Wasserstoff reduziert, wodurch Wasserstoff indirekt in metallischem Eisen gespeichert wird. Bei Bedarf wird das Eisen mit Wasserdampf oxidiert, wobei Wasserstoff freigesetzt und gleichzeitig Wärme bereitgestellt wird. Das Konzept des zyklischen Prozesses ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Zyklischer Prozess der indirekten Wasserstoffspeicherung über die Eisen-Wasserdampf-Reaktionsroute.

Im Forschungsprojekt „BOY-200 – Entwicklung eines Reaktors mit hoher Zyklenstabilität für die indirekte Wasserstoffspeicherung über die Eisen-Wasserdampf-Reaktionsroute“, gefördert durch die gemeinnützige Friedrich und Elisabeth Boysen-Stiftung, wird dieser Stoffzyklus in einem Festbettreaktorsystem hinsichtlich optimaler Struktureigenschaften, Reaktionsbedingungen und Materialzusammensetzung untersucht. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Loop-Reaktors, der eine langzeitstabile Wiederholbarkeit dieser Zyklen bei gleichzeitig hohen Wasserstoffausbeuten und Reduktionsgraden ermöglicht. Die Untersuchungen knüpfen an die gewonnenen Erkenntnisse eines von der Academy for Responsible Research, Teaching, and Innovation (ARRTI) des KIT geförderten Forschungsvorhabens an.

Untersuchungen von Eisen(oxid)partikelsystemen am Engler-Bunte-Institut bestätigen die starke Temperaturabhängigkeiten der Redox-Reaktionen sowie hohe erreichbare Reduktionsgrade und Wasserstoffausbeuten. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass wiederholte Zyklen zu struktureller Degradation und zunehmender Versinterung führen, was mit steigenden Druckverlusten einhergeht und eine zentrale Herausforderung für kontinuierliche Reaktorkonzepte darstellt. Ansätze wie die Additivierung mit Übergangs- oder Edelmetallen können diese Degradation reduzieren und anhand katalytischer Wirkung die Redox-Reaktionen beschleunigen, wobei die zugrunde liegenden Mechanismen bislang nicht vollständig geklärt sind. Außerdem konnte durch den Einsatz poröser, makrostrukturierter Eisenmaterialien die Zyklenstabilität verbessert und der Druckverlust reduziert werden, allerdings bei teilweise geringeren Ausbeuten.

Vor diesem Hintergrund liegt der Fokus dieses Projekts darin, die bestehenden Zielkonflikte zwischen hoher Wasserstoffausbeute, Zyklenstabilität und geringem Druckverlust gezielt zu adressieren. Hierzu werden makroskopische Eisenstrukturen hinsichtlich Zyklenstabilität, Druckverlust und Strukturintegrität untersucht und mit optimierten Prozessparametern kombiniert. Ergänzend wird die Additivierung mit Übergangsmetallen zur weiteren Stabilisierung und katalytischen Effekten analysiert. Auf Basis dieser Arbeiten wird ein Loop-Reaktor entwickelt, validiert und in Langzeituntersuchungen unter realitätsnahen Bedingungen getestet, um die Effizienz, Leistungsfähigkeit und technische Umsetzbarkeit der indirekten Wasserstoffspeicherung nachzuweisen.