Produktion von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen

In der Industrie wird Wasserstoff auf drei weit verbreitete Arten erzeugt: Dampfreformierung, partielle Oxidation und Kohlevergasung. Eine andere, bisher weniger genutzte, Methode ist die Elektrolyse von Wasser.

Dampfreformierung

Der Hauptrohstoff für die Herstellung von Wasserstoff nach diesem Verfahren ist Erdgas (Methan), das mit Wasserdampf reagiert.
Die primäre Dampfreformierung erfolgt bei einer Temperatur von 700 bis 900 °C und einem Druck von 2 bis 4 MPa. Nickel auf einem porösen Träger (Al₂O₃, MgO und andere) wird dabei als Katalysator verwendet. Der erhitzte Wasserdampf wird zusammen mit den Kohlenwasserstoffen dem Reaktor zugeführt, wo er gemäß Gleichung (1) reagiert.

Die daraus resultierenden Produkte werden dann abgekühlt und einem Tieftemperaturreaktor (180 bis 230 ºC) zugeführt, in dem die sogenannte "Wasser-Gas-Shift" -Reaktion (Gleichung 2) stattfindet. Bei dieser Reaktion wird die Kohlenmonoxidkonzentration auf 0,2 bis 0,3 Vol .-% reduziert.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist neben der Nutzung fossiler Ressourcen die Notwendigkeit, das Einsatzmaterial mit Entschwefelung vorzubehandeln, um eine Beschädigung des Katalysators zu vermeiden.

Abbildung 1: Industrielle Wasserstofferzeugung durch Dampfreformierung. Quelle: New Bus ReFuelling for European Hydrogen Bus Depots - Guidance Document on Large Scale Hydrogen Refuelling. (Reuter, Benjamin; Faltenbacher, Michael; Schuller, Oliver; Whitehouse, Nicole; Whitehouse, Simon; 2017)

Partielle Oxidation

Die benötigten Rohstoffe in diesem Prozess sind Erdgas und Öl. Die Reaktion läuft in einem Reaktor bei 1400ºC und einem Druck von 8 MPa mit unzureichendem Sauerstoff nach Gleichung (3) und Gleichung (4) ab. Da beide Gleichungen exotherm sind (Wärme wird freigesetzt) ​​und der Reaktor erwärmt wird, muss der Temperaturanstieg durch Zugabe von Wasserdampf der Gleichung (5) gesteuert werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Abwesenheit eines Katalysators und damit entstehender Katalysatorgifte. Aufgrund der Abwesenheit des Katalysators muss das gesamte Verfahren jedoch bei höheren Temperaturen und erhöhtem Druck durchgeführt werden, was die Kosten der Wasserstoffherstellung nach diesem Verfahren erhöht.

Abbildung 2: Industrielle Wasserstoffproduktion durch partielle Oxidation. Quelle: https://www.globalsyngas.org/syngas-production/partial-oxidation/

Kohlevergasung

Bei diesem Verfahren reagiert fester Brennstoff bei hohen Temperaturen (800-1200 ° C) und Drücken (0,1-4 MPa) mit Wasserdampf und Luft (Sauerstoff) unter Bildung von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und anderen Gasen. Siehe dazu Gleichungen 6 bis 9.

Die Vergasung von Kohle hat gegenüber der Verbrennung mehrere Vorteile. Das Verfahren erzeugt nur eine geringe Menge an NO_x- und SO_x-Gasen. Der enthaltene Schwefel wird in Sulfan umgewandelt, das durch eine der bekannten und verfügbaren Techniken (Absorption in Methanol, Reaktion mit  K₂ und anderen) leicht aus dem Gemisch entfernt werden kann.
Bei Verwendung von Sauerstoff als Reaktionsgas sinkt die NO_x-Konzentration auf 15 ppm. Dabei entsteht ein reiner, konzentrierter CO₂-Strom , der einfacher und kostengünstiger abzutrennen ist als das mit Stickoxiden verdünnte Gas, das beispielsweise durch Kohleverbrennung entsteht.

Abbildung 3: Industrielle Produktion von Wasserstoff durch Kohlevergasung. Quelle: https://www.worldcoal.org/reducing-co2-emissions/gasification

Alle oben genannten Verfahren nutzen nicht erneuerbare Energiequellen zur Erzeugung von Wasserstoff. In den Industrieländern besteht heutzutage jedoch eine starke Tendenz, alternative, umweltfreundliche Ressourcen zu nutzen.