Wasserstofferzeugung

Wasserstoffherstellung aus regenerativen Quellen

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Am Bavarian Hydrogen Center entwickeln Forscher der FAU Erlangen-Nürnberg sowie des Fraunhofer-Instituts UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg Technologien und Konzepte für eine zukünftige Erzeugung von regenerativem Wasserstoff aus Biomasse oder Sonnen- und Windenergie.

Derzeit werden rund 93 % des weltweit produzierten Wasserstoffs auf Basis fossiler Energieträger gewonnen. Hauptproblem bei den dabei eingesetzten Reformierungs- und Vergasungsverfahren sind die damit verbundenen CO2-Emissionen – so werden bei der Produktion von einer Tonne H2 etwa drei Tonnen CO2 freigesetzt. Um aber dem fortschreitenden Klimawandel, bedingt durch fossile CO2-Emissionen, zu begegnen, müssen neue Ansätze für eine CO2-neutrale Wasserstoffwirtschaft entwickelt werden.

Es existieren verschiedene Forschungsansätze zur regenerativen Erzeugung von Wasserstoff wie beispielsweise  hydrothermale und thermochemische Verfahren, die Vergasung von Biomasse, die photobiologische und photo(elektro)katalytische Wasserspaltung und die lichtunabhängige fermentative Erzeugung durch Vergärung von Biomasse. Ergänzend werden im Bavarian Hydrogen Center auch Verfahren für die Wasserstoffreinigung untersucht und entsprechende Verfahren thermodynamisch modelliert und bewertet.

Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl
Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik der FAU Erlangen-Nürnberg
Telefon: +49 (0) 911 / 5302 – 9021
Email: juergen.karl@fau.de

Teilprojekt I

Teilprojekt I behandelt die Wasserstoffherstellung aus den regenerativen Energien Biomasse (TP I.1.1 und TP I.1.2), der fluktuierenden Einspeisung von Wind und Photovoltaik (TP I.2.1 und TP I.2.2), die Aufbereitung von wasserstoffhaltigen Synthesegasen und Gasgemischen (TP I.3.1 und TP I.3.2), die thermodynamische Modellierung der kompletten zugehörigen Prozessketten (TP I.4.1.) sowie die Einbindung adsorptiver H2 Speicher in Versorgungsnetze (TP 1.4.2).

Der an der TU München von Prof. Karl entwickelte Heatpipe Reformer zur Vergasung von Biomasse ist durch hohe Wasserstoffgehalte ideal geeignet zur Herstellung von Wasserstoff. Ein Problem ist allerdings der aufwändige Downstream Prozess zur Gewinnung des Wasserstoffs in reiner Form. Daher soll dieser direkt in der Wirbelschicht im Reformer an Metallmembranen (Nickel, Palladium etc.) abgetrennt werden. Durch den Entzug von Wasserstoff aus dem Reaktionssystem können darüber hinaus durch den Shift des Reaktionsgleichgewichts der Wassergasreaktion noch höhere Wasserstoffausbeuten realisiert werden.

Links: Heat Pipe bei ca. 800°C mit Isolierung; Mitte: Ohne Isolierung; rechts: Prozessschema Heatpipe Reformer mit Membranen

Links: Heat Pipe bei ca. 800°C mit Isolierung; Mitte: Ohne Isolierung; rechts: Prozessschema Heatpipe Reformer mit Membranen

Dipl.-Ing. Jonas Leimert (EVT)

Dipl.-Ing. Jonas Leimert (EVT)

Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFCs) können alternierend als Elektrolyseur oder Brennstoffzelle betrieben werden und stellen somit einen vielversprechenden Ansatz für eine effiziente Speicherung von elektrischer Energie durch Wasserstoffproduktion dar. Die Arbeiten am EVT konzentrieren sich auf die Verbesserung des dynamischen Lastverhaltens und des thermischen Managements der Stacks durch den Einbau von Heat Pipes, welche die Ein- und Auskopplung von Hochtemperaturwärme ermöglichen.

Links: Aufbau einer planaren Heat Pipe; Mitte: Explosionszeichnung des am EVT entwickelten Shortstacks; rechts: Skizze einer SOFC mit und ohne Heat Pipe mit Temperaturprofil

Links: Aufbau einer planaren Heat Pipe; Mitte: Explosionszeichnung des am EVT entwickelten Shortstacks; rechts: Skizze einer SOFC mit und ohne Heat Pipe mit Temperaturprofil

Planare Heat Pipe bei ca. 800 °C

Planare Heat Pipe bei ca. 800 °C

Ein möglicher Ansatz, Überschussstrom aus Windenergie und Photovoltaik zu speichern, besteht in der katalytischen Niedertemperatur-Reformierung von Erdgas unter Ausnutzung der Speicherkapazitäten des bestehenden Erdgasnetzes.

Prozessschema Partielle Reformierung

Prozessschema Partielle Reformierung

Durch die endotherme Umsetzung zu Wasserstoff kann Energie in Form von Reaktionsenthalpie zwischengespeichert werden um Schwankungen bei der Stromproduktion auszugleichen.

Links: Reaktor der 9 kW Versuchsanlage am EVT mit elektrischer Beheizung; rechts: Gasregelstrecke der 9 kW Versuchsanlage

Links: Reaktor der 9 kW Versuchsanlage am EVT mit elektrischer Beheizung; rechts: Gasregelstrecke der 9 kW Versuchsanlage