Verfahren zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion im Überblick

Die Wasserstoffindustrie befindet sich im Aufschwung. Um dem Marktanspruch des umweltfreundlichen Wasserstoffs jedoch gerecht zu werden, muss die Herstellung von H₂ aus erneuerbaren Rohstoffen und ohne die Emission von Treibhausgasen erfolgen. Welche technischen Möglichkeiten und konkreten Fördermittel es dazu gibt, erfahren Sie in diesem Blogartikel.

Wasserstoff wird als sauberer Energiespeicher der Zukunft gehandelt, bisher wird er aber vorwiegend aus fossilen Rohstoffen und unter der Freisetzung von CO₂ erzeugt. Um Wasserstoff klimaneutral zu gewinnen, muss die Produktion auf nachhaltige Rohstoffe und auf treibhausgasfreie Verfahren umgestellt werden. Dafür müssen die Verfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff weiterentwickelt und so weit skaliert werden, dass sie die bisherigen Verfahren ersetzen können. Hier können aktuelle FuE-Projekte ansetzen und mit Fördermitteln vorangebracht werden. Und das wird sich lohnen: Der Industriesektor rund um Wasserstoff wird in den nächsten Jahren ein starkes Wachstum durchlaufen. Im Rahmen dessen ist die Skalierung aller mit Wasserstoff verbundenen Sektoren, also die Produktion, Transport und Lagerung, Verbrauch sowie die Regelungskomponenten (Balance-of-Plant Komponenten), entscheidend. Indem Unternehmen zum richtigen Zeitpunkt investieren, können sie einen entscheidenden Marktvorteil erlangen.

Umweltfreundlicher Wasserstoff gefordert: Probleme bei der aktuellen Herstellung

Wie wird Wasserstoff aktuell produziert und was ist das Problem dabei?

• Dampfreformierung (Steam Reforming): Gasförmige oder leichtsiedende fossile Rohstoffe werden mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen (700-1000°C) und hohen Drücken über einem Katalysator (meist Nickel) umgesetzt. Dabei entsteht ein Gasgemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas).
• Partiale Oxidation: Schwersiedende oder feste fossile Rohstoffe werden mit Sauerstoff bei sehr hohen Temperaturen (1000 °C) umgesetzt. In dieser Reaktion entstehen ebenfalls ein Gasgemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas).
• Wassergas-Shift-Reaktion: In einem Folgeschritt an die Reaktionen kann das in den Prozessen entstehende Kohlenstoffmonoxid mit Wasser umgesetzt werden, wodurch Kohlenstoffdioxid gebildet und zusätzlicher grauer Wasserstoff gewonnen wird.

Abbildung 1: Die unterschiedlichen Reaktionen zur Herstellung von Wasserstoff ausgehend von Pentan

Grüner Wasserstoff: nachhaltige Produktion mit Elektrolyse

Welche Verfahren werden für die Produktion von nachhaltigem grünen Wasserstoff genutzt?

Die Elektrolyse wird als das in Zukunft wichtigste Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff angesehen. In einem elektrochemischen Prozess wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Sofern die Energie für die Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen stammt, werden somit keine Treibhausgase freigesetzt und der erzeugte Wasserstoff ist dementsprechend klimaneutral. Selbst unter der Verwendung von Strom aus fossilen Quellen ist die Treibhausgasfreisetzung mit ca. 1,5 kg CO₂-Äq/kg H₂ deutlich geringer als beim grauen Wasserstoff.

Abbildung 2. Schematische Darstellung eines Elektrolyseurs

Es gibt drei vorwiegende Elektrolyseverfahren. Bei allen Verfahren sind die Elektroden durch eine Membran getrennt, welche einen Ionentransfer ermöglicht und Elektroden sowie Anolyt und Katholyt räumlich voneinander trennt. An der Kathode bildet sich der Wasserstoff durch eine Reduktionsreaktion und an der Anode der Sauerstoff durch eine Oxidationsreaktion.

1. AEL (Alkalische Elektrolyse): Die alkalische Elektrolyse wird in einer hochkonzentrierten Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt durchgeführt. Die Membran zwischen den Elektroden ermöglicht den Transfer von Hydroxid-Ionen, welche durch die Abspaltung von Protonen aus dem Wasser an der Kathode entstehen.

2. PEM (Proton-Exchange-Membrane-Electrolysis): Die Proton-Exchange-Membrane-Electrolysis wird unter sauren Bedingungen durchgeführt. Eine Protonentransfermembran zwischen den Elektroden ermöglicht es den an der Anode gebildeten Protonen, zur Kathode zu gelangen, wo sich der Wasserstoff bildet.

3. HTE (Hochtemperatur- oder Dampfelektrolyse): In der Hochtemperatur- oder Dampfelektrolyse wird Wasserdampf elektrolytisch aufgespalten. Die Elektroden sind bei diesem Verfahren durch eine Membran verbunden, welche den Transfer von Sauerstoff-Ionen von der Kathode zu Anode ermöglicht.

Herausforderungen und Entwicklungsbereiche bei Elektrolyseuren

• Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad, also die Effizienz, mit der die Energie von Elektrolyseure in Wasserstoff umgewandelt wird, muss weiter erhöht werden, um die Energie bestmöglich zu verwerten.
• Materialien: Für die Elektroden werden seltene Metalle wie beispielsweise Platin benötigt. Die Minimierung des Bedarfs bzw. die vollständige Unabhängigkeit, von strategischen Ressourcen stellt einen zentralen Faktor in der Elektrolyseurentwicklung dar.
• Druck: Der Ausgangsdruck eines Elektrolyseurs ist entscheidend für Folgeschritte. Hochdruckelektrolyseure reduzieren den Energieaufwand, der in die Druckanpassung gesteckt werden muss und erhöhen so indirekt den Wirkungsgrad.
• Stromdichte: Die maximale Stromdichte der Membran begrenzt die Leistung, welche in der Elektrolyse angelegt werden kann. Indem höhere Leistungen verwendet wird, kann die benötigte Membranfläche und damit auch der Materialaufwand verringert werden, wodurch eine kompaktere Bauart für Elektrolyseure möglich wird.

Alternative Verfahren für grünen Wasserstoff

Welche alternativen Verfahren können zur Herstellung von grünem Wasserstoff genutzt werden?

Abseits vom durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff gibt es auch weitere Methoden, nachhaltigen Wasserstoff zu erzeugen. Eine Möglichkeit wäre, Abfallprodukte zu Wasserstoff zu verarbeiten. Dafür bietet sich insbesondere Biomasse, wie Klärschlamm aus der Wasserverarbeitung oder Gülle aus der Tierhaltung an. Durch ihren hohen Anteil an gebundenen Wasserstoffatomen sind auch Plastikabfälle für die Verwertung attraktiv.

 
Abbildung 3: Mögliche Abfälle für die Erzeugung von grünen Wasserstoff

Biomasse wird in zwei Schritten verarbeitet: Sie wird zu Dünger und Reststoffe werden der Energiegewinnung, meistens über eine Biogasgewinnung, zugeführt. Indem die Biomasse über Gasreformierung oder partiale Oxidation zu Wasserstoff umgesetzt wird, kann Wasserstoff unter der Erzeugung von CO₂ als Koppelprodukt produziert werden. Auf die gleiche Weise können auch beispielsweise nicht recyclebare Plastik- oder Holzabfälle verarbeitet werden. In der energetischen Verwertung all dieser Materialien würde unumgänglicherweise CO₂ entstehen. Durch Carbon-Capturing-Methoden oder die stoffliche Weiterverwertung der kohlenstoffhaltigen Zwischenprodukte kann die CO₂-Freisetzung vollständig unterbunden werden. Das vom von den Wasserstoffexperten der EurA AG gemanagte – gefördert durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) – Netzwerk HyWaste beschäftigt sich mit unterschiedlichen Thematiken rund um die Erzeugung von Wasserstoff aus Problemstoffen. Sollten Sie auf diesem Gebiet aktiv sein oder sich dafür interessieren, kommen Sie gerne auf uns zu.

Wasserstoff als Koppel- oder Nebenprodukt von anderen Prozessen

Neben den Prozessen zur gezielten Wasserstoffherstellung kann Wasserstoff auch als Koppel- oder Nebenprodukt in Prozessen anfallen. Eins der größten Beispiele dafür ist die Chloralkali-Elektrolyse, welche eigentlich für die Produktion von Chlor (ca. 80 Millionen Tonnen pro Jahr) genutzt wird, aber hohe Mengen Wasserstoff (ca. 2 Millionen Tonnen pro Jahr) freisetzt. Auch in petrochemischen Prozessen, wie der Produktion von Ethylen oder der Benzinherstellung, fällt Wasserstoff als Koppelprodukt an. In diesen großtechnischen Prozessen wird der Wasserstoff schon gezielt gewonnen und weiterverwertet. Es gibt aber viele kleinere Prozesse, insbesondere im Bereich der Elektrolyseverfahren, bei welchen als Nebenprodukt entstehender Wasserstoff, anstatt ihn zu isolieren, freigesetzt oder über eine Fackel verbrannt wird.

Sie wollen Ihre Vorhaben im Bereich Wasserstoff voranbringen und suchen dafür passende Fördermittel oder wollen mehr über die Chancen und Vorteile des Wasserstoffs erfahren? Die Standorte der EurA AG Aachen und Herten verfügen über jahrelange Erfahrung in der erfolgreichen Beantragung von Fördermitteln und der technischen Beratung zum Thema Wasserstoff. Kommen Sie auf uns zu, wir beraten Sie bei der Auswahl des richtigen Förderprogramms und unterstützen Sie gerne in der Antragsstellung.

 Text: Georg Beckmann