Aluminium für die Energiewende

Für die Energiewende muss erneuerbare Energie in großen Mengen gespeichert werden. In den vergangenen Jahren wurden zunehmend Metalle – insbesondere Eisen – als kohlenstofffreie chemische Energiespeicher erforscht. Das Projekt „A-STEAM“ von Professor Christian Hasse, Fachgebiet Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme, widmet sich dem Metall Aluminium als alternativem Energieträger.

Aluminium kann besonders viel Energie speichern und wird zum Beispiel bereits als hochenergetischer Booster für die Trägerrakete der Ariane 5 verwendet. Die hohe Speicherkapazität kann man sich für ein hochinnovatives Verfahren zur Dekarbonisierung der Industrie zunutze machen. Aluminium wird dabei mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen oxidiert, also verbrannt. Dabei entstehen mit Hochtemperaturwärme und Wasserstoff zwei hochwertige Produkte, die etwa für die Stromerzeugung oder für Synthesen in der chemischen Industrie nutzbar sind.

Gerade die flexible großskalige vor-Ort-Erzeugung von Wasserstoff adressiert ein bisher ungelöstes Problem der zukünftigen Wasserstoffwirtschaft – den Transport. Dieser muss entweder bei sehr niedrigen Temperaturen (-253°C) oder hohen Drücken (>300bar) erfolgen – ein sehr energieintensiver Prozess, der zu Verlusten führt. Bei „A-STEAM“ wird nicht Wasserstoff direkt transportiert, sondern Aluminium als Energieträger verwendet und damit Wasserstoff vor Ort je nach Bedarf produziert. Aluminium wird zum effizienten „Träger“ von Wasserstoff, ohne die Nachteile des Transports und mit hervorragenden Eigenschaften für die Langzeitspeicherung.

„Ich sehe den ERC Advanced Grant als Wachstumskern für die Forschung zu Metallen als Energieträger – ein in der Wissenschaft rasant wachsendes Feld mit den ersten kommerziell erhältlichen Produkten, die allerdings noch niedrige Gesamtwirkungsgrade haben“, so Professor Christian Hasse. Durch die Erzeugung von Wärme bei hohen Temperaturen können thermodynamisch höhere Wirkungsgrade erreicht werden.

Die Verbrennung von Aluminium mit Wasserdampf unter Druck ist ein Multi-Skalen- und Multi-Physik-Prozess und bisher weitgehend unerforscht. Darin besteht die Herausforderung von „A-STEAM“: Es müssen alle Skalen verbunden und untersucht werden, d.h. die gesamte wissenschaftliche Kette von der Einzelpartikelverbrennung bis hin zu turbulenten Flammen mit Millionen von Aluminiumpartikeln. Dafür wird eine Kombination wissenschaftlicher Methoden angewandt: fortschrittliche Modellierung, High Performance Computing und maßgeschneiderte Experimente. Der Kern von A-STEAM sind hochauflösende Simulationen auf Hochleistungsrechnern (High Performance Computing – HPC) mit fortschrittlichen numerischen Methoden. Ein Großteil der Simulationen werden auf dem „Lichtenberg II“-Hochleistungsrechner der TU Darmstadt durchgeführt.

„A-STEAM“ baut auf der Forschung zu Eisen als Energieträger im TU-Clusterprojekt „Clean Circles“ des Profilthemas Carbon Neutral Cycles (CNC) auf. Dort beschäftigen sich Forschende der TU allgemein mit chemischen Energiespeichern wie Wasserstoff, Ammoniak oder e-fuels für erneuerbare Energie. In den vergangenen Jahren wurde bei „Clean Circles“ weltweit wegweisende Forschung zu Eisen als hochinnovativem kohlenstofffreien Energieträger durchgeführt. Das in „A-STEAM“ untersuchte Aluminium weist eine noch höhere Energiedichte als Eisen auf. Seine Hochtemperaturverbrennung mit Dampf liefert nun erstmals neben Wärme auch Wasserstoff.

bjb