Brennstoffzelle & Wasserstoff » Netzwerk Brennstoffzelle und Wasserstoff, Elektromobilität NRW

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Hyer Clean Energy Partnership

Information

Erzeugung

Wasserstoff als Chemie-Basisprodukt wird heute weltweit zu 96 % aus fossilen Energieträgern (vorrangig Erdgas) und zu 4 % via Elektrolyse hergestellt. In der Raffinerie und in der Kohle-Stahl-Industrie werden ebenfalls erhebliche Mengen an Wasserstoff hergestellt, aber auch vor Ort wieder genutzt. Nur ein kleiner Anteil des weltweit erzeugten Wasserstoffs wird als sogenannter „Merchant Hydrogen“ gehandelt und über die Straße sowie per Pipeline zum Kunden transportiert.

Die wichtigsten Wasserstoffquellen in Deutschland sind:

  • Reformierung von Erdgas (6 Mrd. Nm3/a):
    CH4 + H2O => CO + 3 H2; CO + H2O => CO2 + H2
     
  • Benzinreformierung (2,5 Mrd. Nm3/a):
    C8H18 => 3 H2 + C2H6 + C6H6
     
  • Ethen-Herstellung (3,6 Mrd. Nm3/a):
    C2H6 => C2H4 + H2
     
  • Chlor-Alkali-Elektrolyse (0,9 Mrd. Nm3/a):
    NaCl + H2O => ½ Cl2 + NaOH + ½ H2

Reformierung von Erdgas
Wasserstofferzeugung mittels Erdgas-Dampfreformierung Bei der Dampfreformierung wird dem Erdgas vor der Reformierung Wasserdampf zugeführt. Die für die Zielreaktion erforderliche Wärme kann theoretisch von außen zugeführt werden, wird aber in der Praxis zumeist durch eine Teiloxidation des Erdgases prozessintern bereitgestellt. Dazu wird zusätzlich zum Dampf Luft oder auch reiner Sauerstoff zugeführt.

Angaben zum Wirkungsgrad reichen von 75 bis 90 %, wobei häufig nicht genannt wird, wie die Exergie des zugeführten Dampfes bewertet wird. Steht keine Dampfquelle zur Verfügung, wie es häufig bei der dezentralen Reformierung der Fall ist, wird über eine erhöhte partielle Oxidation die zur Verdampfung von Wasser nötige Wärme bereitgestellt.
 


Wasserstoffherstellung per Erdgas-Dampfreformierung. Quelle: DLR

Wasserelektrolyse
Die elektrochemische Gewinnung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse ist seit über hundert Jahren etabliert. Sie wird meist dort eingesetzt, wo kein Erdgas zur Verfügung steht. Künftig erlaubt die Elektrolyse darüber hinaus die Nutzung großer Mengen überschüssigen Stroms aus fluktuierenden erneuerbaren Energien. Für die elektrolytische Zersetzung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, H2O(l) => H2(g) + ½ O2(g), benötigt man unter Standardbedingungen (T00 = 298,15 K und p0 = 1 bar) mindestens die der Reaktionsenthalpie von ΔHR = 286 kJ/mol und der thermoneutralen Spannung von U0= 1,48 V (=Brennwertspannung) entsprechende Energie von 3,54 kWh/Nm3. Die praktisch notwendigen Zellspannungen liegen jedoch erheblich über der Brennwertspannung. Bei Nennung des Wirkungsgrads wird als „Nutzen“ üblicherweise entweder der Heizwert (3,0 kWh/Nm3) oder der Brennwert des gewonnenen Wasserstoffs angesehen. Ersterer bietet sich an, wenn der Wasserstoff zur Stromerzeugung oder Kraftstoff verwendet wird. Dagegen wird der Brennwert bevorzugt, wenn eine Einspeisung in das Erdgasnetz vorgesehen ist. Die elektrochemische Wasserzersetzung durch Elektrolyse besteht aus zwei Teilreaktionen, die durch einen ionenleitenden Elektrolyten getrennt sind. Je nach verwendetem Elektrolyten unterscheidet man drei grundlegende Verfahren der Wasserelektrolyse:

  • die alkalische Elektrolyse mit einem flüssigen basischen Elektrolyten, der umgewälzt wird,
  • die saure PEM-Elektrolyse mit einem protonenleitenden polymeren Festelektrolyten und
  • die Hochtemperatur-Elektrolyse mit einem sauerstoffleitenden Festoxid als Elektrolyt (SOEC).


Grundformen der Wasserselektrolyse. Quelle: FZ-Jülich

Die alkalische Elektrolyse ist ein etabliertes Verfahren, dem aufgrund der bisherigen Anwendung zur kontinuierlichen Wasserstoffproduktion eine gewisse Trägheit attestiert wird. Konkrete Systeme wurden aber durchaus bereits von Netzbetreibern zur Regelenergiebereitstellung qualifiziert. Stromdichten liegen im Bereich 0,2-0,4 A/cm². Die größten in der Vergangenheit installierten Anlagen (Lurgi) lieferten pro Stapel 740 Nm³/h (Normkubikmeter pro Stunde) bei einem Druck von 30 bar und einer elektrischen Leistung von 3,6 MW, was einem spezifischen Energiebedarf von ~4,9 kWh/Nm³ und einem mit dem Heizwert gebildeten Wirkungsgrad von 61,7 % entspricht. Für die Zellenstapel (Stacks) werden Standzeiten bis zu 90.000 h angegeben. In Demonstratoren wurden Drücke weit jenseits der 100 bar realisiert.

Die PEM-Elektrolyse, die eine höhere Stromdichte bis zu 2 A/cm² im Dauerbetrieb und bei gleicher Stromdichte einen deutlich höheren Wirkungsgrad bietet, ist im kleinen Leistungsbereich für die Erzeugung hochreinen Wasserstoffs seit langem etabliert. Für Energiespeicheranwendungen werden heute erste Anlagen bei Kunden demonstriert. Neben der hohen Stromdichte sind wegen des Einsatzes einer weitgehend gasdichten Membran auch höhere Drücke sicher realisierbar; oder man kann tiefere Teillasten als bei der alkalischen Elektrolyse realisieren. Auf Stack-Ebene werden 5 bis 10% der Nennlast als realistisch angesehen. Am Ersatz des hier benötigten Platin-Katalysators durch kostengünstigere Katalysatoren wird intensiv geforscht – nicht zuletzt in NRW.

Die Hochtemperatur-Elektrolyse bietet ein hohes Wirkungsgradpotential – insbesondere bei Verfügbarkeit von Dampf. Sie ist aber noch Gegenstand der institutionellen Forschung und Demonstration und wird bisher nicht als kommerzielles Produkt (System) entwickelt.

Der Druck p des erzeugten Wasserstoffs stellt einen zusätzlichen Wert dar. Thermodynamisch lässt sich dieser über den Druckanteil der Exergie ausdrücken: ρNRTU ln (p/pU), wobei R die Gaskonstante des Wasserstoffs und ρN die Dichte des Wasserstoffs im Normzustand der Gastechnik ist (TN = 273,15 K = 0°C und pN = 1,01325 bar); U ist ein Umgebungszustand. Bei 30 bar Betriebsdruck beträgt der Druckanteil der Exergie knapp 0,10 kWh/Nm³, wenn man als Umgebungszustand den Normzustand ansetzt; Abweichungen davon sind hier vernachlässigbar.

Der praktische Wert des Drucks ist zwar noch höher, da der reale technische und energetische Aufwand für die nachfolgende Kompression des Wasserstoffs verringert wird, er lässt sich aber nicht allgemeingültig quantifizieren. Der Wärmeinhalt des Gases am Elektrolyseur-Austritt hat in einer Energiesystembetrachtung dagegen keinen allgemeingültigen Wert. Rechnet man den thermodynamischen Wert des Drucks mit ein, würde der Heizwert-Wirkungsgrad des Lurgi-Elektrolyseurs 64 % statt 62 % betragen.

Alternative Wasserstoffquellen und Erzeugungsformen
Die wichtigste alternative Quelle ist der Industrie- oder Nebenproduktwasserstoff; so könnten von den gut 1,7 Mio. Nm³, die täglich in den Chlorelektrolysen des Landes anfallen, gut 0,8 Mio. Nm³ für neue Nutzungen erschlossen werden.

Darüber hinaus wird gerade auch in unserem Land intensiv an weiteren Verfahren geforscht:

  • photoelektrische Erzeugung
  • photobiologische Erzeugung
  • thermochemische Erzeugung mittels solarer Hochtemperaturprozesse
  • mikrobiologisch unterstütze Elektrolyse im Rahmen der Abwasserbehandlung
  • Biomassevergasung mit anschließender Reformierung