Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 4.2.2.1

Teil 4.2.2.1 | Dampfreformer

Den grĂ¶ĂŸten Anteil zur deutschlandweiten H2-Herstellung trĂ€gt zurzeit die Dampfreformierung bei. GrundsĂ€tzlich eignen sich als Ausgangsprodukte fĂŒr dieses Verfahren alle fossilen Kraftstoffe, die einen relativ hohen Prozentsatz an WasserstoffmolekĂŒlen aufweisen (z. B. Erdgas, Methanol, Biogas).

In der ersten Verfahrensstufe, dem Reformierreaktor, reagiert der eingesetzte EnergietrÀger unter WÀrmezufuhr mit Wasserdampf. So entsteht ein wasserstoffreiches Gasgemisch. Bei der Einleitung der Reaktion helfen Nickelkatalysatoren. Das entstehende Gemisch enthÀlt zu diesem Zeitpunkt noch einen hohen Anteil an Kohlenstoffmonoxid.

Reformierung:               CH4  +  H2O  → 3 H2  +  CO

Das Kohlenmonoxid wird zusammen mit Wasserdampf in zwei nachgeschalteten katalytischen Konvertern (Shift-Reaktoren) in Kohlendioxid ĂŒberfĂŒhrt:

Shift-Reaktion:  CO  +  H2O   →  H2  +  CO2

Die Gesamtreaktion lautet also:

            CnHm  +  2 n H2O  → (2 n  +  m/2) H2  +  n CO2

Der erste Umwandlungsschritt ist die sogenannte Hochtemperaturkonvertierung (HTS). Die Temperaturen, die fĂŒr einen Reformierungsprozess notwendig sind, hĂ€ngen von den verwendeten Kraftstoffen und von der StabilitĂ€t der chemischen Bindung derselben ab. FĂŒr die Reformierung von Methanol werden beispielsweise Temperaturen um 300 °C benötigt, fĂŒr Erdgas etwa 800 °C, bei Benzin sogar 900 °C.

Der zweite Schritt ist die Niedertemperaturkonvertierung (NTS) bei etwa 180 bis 240 °C. Bei dieser mehrstufigen Vorgehensweise wird der CO-Anteil von etwa 10 bis 15 Vol.-% beim Austritt aus dem Reformer bis auf 0,3 bis 0,6 Vol.-% verringert.

Eine anschließende letzte Gasreinigung entfernt das in diesem Vorgang nicht umgesetzte CO bis auf einen geringen Restanteil von 10 bis 20 ppm und gewĂ€hrleistet somit die gewĂŒnschte Reinheit. Anschließend kann der Wasserstoff von weiteren störenden Bestandteilen (z. B. Schwefel) befreit werden.

Abb. 16: Schema der Dampfreformierung

        s. auch 2. Auflage, Abb 9  

FĂŒr die Herstellung eines Normkubikmeters Wasserstoff sind etwa 0,45 Nm3 Erdgas notwendig. Industrielle Dampfreformer verfĂŒgen ĂŒber eine NennkapazitĂ€t von bis zu 200.000 Normkubikmeter Reinwasserstoff pro Stunde. Die Verteilung dieses Wasserstoffs kann unter anderem durch Rohrleitungen geschehen, so wie in der Region Leuna/Bitterfeld. Ein Teil davon wird in einer nachgeschalteten Prozessstufe auf eine QualitĂ€t von 99,999 Prozent (Bezeichnung: Wasserstoff 5.0) gereinigt, verdichtet und als Reinstwasserstoff per Trailer zu Kunden in ganz Deutschland geliefert.

Abb. 17: Großtechnischer Erdgasreformer
Erdgasreformer.jpg
Quelle: Linde
Eingesetzt wird der so erzeugte Wasserstoff ĂŒberwiegend in der Ammoniaksynthese. Weitere Einsatzgebiete sind:

  • Methanolproduktion
  • Herstellung von StickstoffdĂŒnger, Kunststoffen, Sprengstoffen, Kunstharzen sowie Lösungsmitteln
  • Hydrierung von Speiseölen aus Sojabohnen, Fisch, ErdnĂŒssen oder Mais
  • Umwandlung flĂŒssiger Öle in Margarine
  • Polypropylenherstellung
  • KĂŒhlung von Generatoren und Motoren
  • industrielle Fertigung (Glas- und Halbleiterindustrie, als Schutzgas)
  • industrielle Prozesse in Raffinerien

Das Deutsche Zentrum fĂŒr Luft- und Raumfahrt (DLR) gibt die CO2-IntensitĂ€t der klassischen Reformierung mit 9 bis 14 kg CO2 pro Kilogramm Wasserstoff an, was unter anderem am hohen fossilen Energieeinsatz liegt. Betriebe man den Prozess stattdessen mit konzentrierter Solarstrahlung, ließen sich die CO2-Emissionen schon um bis zu 40 Prozent vermindern. Entsprechende Tests wurden in Forschungszentren in Spanien und den USA durchgefĂŒhrt.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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