Wie wird Wasserstoff hergestellt? Methoden, Technologien & Potenziale
Entdecken Sie 7 der wichtigsten Verfahren zur Wasserstoffherstellung – von Dampfreformierung bis Elektrolyse. Technologien, Vorteile und Herausforderungen im Überblick.
Wasserstoff soll der umweltfreundliche Kraftstoff für die Energiewende werden. Doch wie wird er hergestellt?
Foto: Panthermedia / phonlamai
Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Energiewende und die Dekarbonisierung von Industrie, Verkehr und Energieversorgung. Doch wie wird Wasserstoff eigentlich hergestellt? Hinter der Produktion des vielseitigen Energieträgers stehen unterschiedliche Verfahren – von der bewährten Dampfreformierung über die Elektrolyse bis hin zu innovativen Methoden wie der Methanpyrolyse oder biologischen Ansätzen. Dieser Ratgeber bietet einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Herstellungsverfahren, ihre Vor- und Nachteile sowie ihr Potenzial für eine nachhaltige Zukunft.
Inhaltsverzeichnis
- Wasserstoffherstellung #1: Dampfreformierung von Erdgas
- Wasserstoffherstellung #2: Elektrolyse von Wasser
- Wasserstoffherstellung #3: Biologische Verfahren
- Wasserstoffherstellung #4: Thermochemische Prozesse
- Wasserstoffherstellung #5: Methanpyrolyse
- Wasserstoffherstellung #6: Plasma- und Mikrowellenverfahren
- Wasserstoffherstellung #7: Kohlevergasung
Wasserstoffherstellung #1: Dampfreformierung von Erdgas
Die Dampfreformierung von Erdgas ist das aktuell weltweit am häufigsten genutzte Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff. Dieses Verfahren basiert auf einer chemischen Umsetzung von Methan (dem Hauptbestandteil von Erdgas) mit Wasserdampf in einem katalytischen Prozess bei hohen Temperaturen. Dabei entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das in einer weiteren chemischen Reaktion ebenfalls zu Wasserstoff umgewandelt werden kann.
Bei der Dampfreformierung wird Erdgas mit Wasserdampf in einem Reaktor erhitzt, der mit einem Katalysator (meist Nickel-basiert) ausgestattet ist. Die Reaktion erfolgt bei Temperaturen zwischen 700 und 1000 °C und unter erhöhtem Druck. Die grundlegende chemische Gleichung der Dampfreformierung lautet:
CH4+H2O→CO+3H2
Das dabei entstehende Kohlenmonoxid wird in einem zweiten Schritt, der sogenannten Wassergas-Shift-Reaktion, mit weiterem Wasserdampf umgesetzt. Hierbei wird zusätzlich Wasserstoff erzeugt, während das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird:
CO+H2O→CO2+H2
Durch diese Kombination von Reaktionen wird die Wasserstoffausbeute maximiert.
Vor- und Nachteile
Vorteile:
- Hohe Effizienz: Die Dampfreformierung ist ein technisch ausgereiftes und wirtschaftlich effizientes Verfahren. Es erlaubt eine hohe Wasserstoffausbeute und wird in großem Maßstab eingesetzt.
- Etablierte Technologie: Die Infrastruktur für die Dampfreformierung ist weltweit vorhanden. Das Verfahren wird seit Jahrzehnten in der chemischen Industrie genutzt, insbesondere für die Herstellung von Wasserstoff für Ammoniak- und Methanolproduktion.
Nachteile:
- CO₂-Emissionen: Ein großer Nachteil der Dampfreformierung ist die Freisetzung von Kohlendioxid, das als Treibhausgas die Umwelt belastet. Pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff werden mehrere Kilogramm CO₂ emittiert.
- Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen: Erdgas ist ein fossiler Brennstoff, dessen Förderung und Nutzung nicht nur begrenzt verfügbar ist, sondern auch Umweltprobleme wie Methanlecks mit sich bringt.
Potenziale für die Zukunft
Um die Umweltauswirkungen der Dampfreformierung zu reduzieren, werden verschiedene Technologien erforscht, darunter:
- CO₂-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS): Mit CCS-Technologien kann das bei der Dampfreformierung entstehende CO₂ abgeschieden und dauerhaft gespeichert werden. Dies könnte den CO₂-Fußabdruck der Wasserstoffproduktion erheblich verringern.
- Erneuerbares Methan: Die Nutzung von biogenem Methan (z. B. aus Biomasse) anstelle von fossilem Erdgas könnte die Dampfreformierung nachhaltiger gestalten.
- Kombination mit grüner Energie: Durch die Nutzung von erneuerbarem Strom, beispielsweise für die Bereitstellung der benötigten Prozesswärme, könnte die Dampfreformierung in Zukunft umweltfreundlicher gestaltet werden.
Wasserstoffherstellung #2: Elektrolyse von Wasser
Umweltfreundlicher als die Dampfreformierung von Erdgas ist die Elektrolyse von Wasser zur Wasserstoffherstellung. Sofern Strom aus erneuerbaren Energien für die Herstellung genutzt wird. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) mithilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. Die zugrunde liegende chemische Reaktion lautet:
2H₂O → 2H₂ + O₂
Es existieren verschiedene Arten der Elektrolyse, die jeweils unterschiedliche Anforderungen, Kostenstrukturen und Effizienzgrade aufweisen. Im Folgenden werden die wichtigsten Verfahren vorgestellt.
Arten der Elektrolyse
- Alkali-Elektrolyse
Die Alkali-Elektrolyse gehört zu den etabliertesten Verfahren und zeichnet sich durch relativ niedrige Investitions- und Betriebskosten aus. Sie arbeitet mit einer flüssigen alkalischen Elektrolytlösung, typischerweise Kalium- oder Natriumhydroxid (KOH oder NaOH). Die Technologie ist robust und gut erprobt, hat jedoch geringere Effizienzwerte im Vergleich zu neueren Verfahren.
Vorteile:
- Geringe Investitionskosten
- Bewährte Technologie mit langer Lebensdauer
- Große Verfügbarkeit der benötigten Materialien
Nachteile:
- Geringere Betriebsflexibilität
- Niedriger Wirkungsgrad im Vergleich zu PEM- und SOEC-Verfahren
- Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Elektrolyse
Die PEM-Elektrolyse verwendet eine Protonen-Austausch-Membran, die als Feststoffelektrolyt dient. Dieses Verfahren ist deutlich effizienter als die Alkali-Elektrolyse und kann schneller auf wechselnde Stromquellen reagieren. Dies macht sie besonders geeignet für den Einsatz in Kombination mit erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarenergie, die häufig schwankende Strommengen liefern.
Vorteile:
- Höhere Effizienz
- Schnellere Reaktionszeit auf schwankende Stromquellen
- Kompakte Bauweise und hohe Leistungsdichte
Nachteile:
- Höhere Kosten für Materialien, insbesondere für die Membran und Edelmetallkatalysatoren wie Platin oder Iridium
- Geringere Lebensdauer der Komponenten im Vergleich zur Alkali-Elektrolyse
- Festoxid-Elektrolyse (SOEC)
Die Festoxid-Elektrolyse ist die modernste und derzeit effizienteste Methode zur Wasserstoffherstellung. Sie arbeitet bei hohen Temperaturen (700–1000 °C) und nutzt dabei zusätzlich Wärme, was die benötigte elektrische Energie reduziert. Diese Wärme kann idealerweise aus erneuerbaren Quellen oder Abwärme aus industriellen Prozessen stammen.
Vorteile:
- Höchster Wirkungsgrad durch Kombination von elektrischer und thermischer Energie
- Besonders geeignet für industrielle Anwendungen mit hoher Wärmeverfügbarkeit
- Potenzial zur gleichzeitigen CO₂-Umwandlung in Kombination mit Wasserstoffproduktion
Nachteile:
- Komplexe Technologie mit hohen Investitionskosten
- Hohe Anforderungen an die Materialstabilität bei hohen Temperaturen
- Derzeit noch in der Entwicklungs- und Demonstrationsphase
Vor- und Nachteile der Elektrolyse von Wasser
Die Elektrolyse von Wasser bietet zahlreiche Vorteile, insbesondere wenn sie mit erneuerbaren Energien kombiniert wird. Der größte Vorteil liegt in der Möglichkeit, Wasserstoff CO₂-frei herzustellen, was eine wichtige Rolle bei der Energiewende und der Dekarbonisierung von Industrie und Verkehr spielen kann. Wasserstoff ist außerdem vielseitig einsetzbar, sei es als Treibstoff, Energiespeicher oder Rohstoff in der chemischen Industrie.
Vorteile:
- Potenziell vollständig CO₂-frei bei Verwendung von grünem Strom
- Nachhaltige Nutzung von Wasser als Rohstoff
- Vielseitige Anwendungen des produzierten Wasserstoffs
Demgegenüber steht der hohe Energiebedarf der Elektrolyse, der insbesondere dann problematisch ist, wenn der benötigte Strom nicht aus erneuerbaren Quellen stammt. Zudem sind die Investitionskosten für fortschrittlichere Verfahren wie PEM- und SOEC-Elektrolyse aktuell noch ein Hemmnis für ihre breite Einführung.
Nachteile:
- Hoher Strombedarf
- Abhängigkeit von der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien für eine wirklich nachhaltige Wasserstoffproduktion
- Hohe Kosten, insbesondere bei modernen Elektrolyseverfahren
Wasserstoffherstellung #3: Biologische Verfahren
Die Wasserstoffproduktion ist ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Neben physikalischen und chemischen Methoden gibt es auch biologische Verfahren, die sich durch ihre potenziell nachhaltige und umweltfreundliche Natur auszeichnen. Hierbei spielen Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Im Folgenden werden die wichtigsten biologischen Verfahren zur Wasserstoffherstellung sowie ihre Vor- und Nachteile beschrieben.
Biophotolyse
Die Biophotolyse ist ein Verfahren, bei dem Mikroalgen oder Cyanobakterien Lichtenergie nutzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Diese Organismen besitzen Enzyme, wie die Hydrogenase, die in der Lage sind, Wasserstoff zu produzieren. Der Prozess basiert auf der natürlichen Photosynthese, bei der Licht als Energiequelle dient. Unter bestimmten Bedingungen kann ein Teil der Energie, anstatt in Zucker umzuwandeln, zur Wasserstoffproduktion genutzt werden.
Dieses Verfahren ist besonders vielversprechend, da es direkt Sonnenlicht als Energiequelle nutzt und keine fossilen Brennstoffe erfordert. Allerdings gibt es technische Herausforderungen, wie die geringe Effizienz der Lichtausnutzung und die Hemmung der Wasserstoffproduktion durch Sauerstoff, der gleichzeitig entsteht.
Dunkel- und Photofermentation
Ein weiteres biologisches Verfahren ist die Fermentation, die sich in Dunkel- und Photofermentation unterteilen lässt:
- Dunkelfermentation: Hierbei bauen Mikroorganismen organische Substrate, wie Biomasse oder organische Abfälle, unter anaeroben Bedingungen ab und produzieren dabei Wasserstoff. Zu den typischen Substraten zählen Zucker, Stärke oder andere Kohlenhydrate. Dabei entstehen neben Wasserstoff auch Nebenprodukte wie Kohlendioxid und organische Säuren.
- Photofermentation: In diesem Verfahren nutzen phototrophe Bakterien Licht, um aus organischen Säuren Wasserstoff zu erzeugen. Diese Bakterien sind in der Lage, Lichtenergie zur Unterstützung ihres Stoffwechsels einzusetzen, was die Wasserstoffproduktion fördert.
Die Kombination aus Dunkel- und Photofermentation kann die Effizienz der Wasserstoffproduktion erhöhen, indem die organischen Nebenprodukte der Dunkelfermentation in der Photofermentation weiterverwendet werden.
Vor- und Nachteile der biologischen Verfahren
Die biologischen Verfahren zur Wasserstoffherstellung bieten einige wesentliche Vorteile, stehen jedoch auch vor Herausforderungen:
Vorteile:
- Nachhaltigkeit: Diese Methoden nutzen nachwachsende Rohstoffe oder Abfallprodukte als Substrate und sind potenziell CO₂-neutral.
- Umweltfreundlich: Es werden keine fossilen Ressourcen benötigt, und die Verfahren haben das Potenzial, Abfälle sinnvoll zu verwerten.
- Vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Die Verfahren können theoretisch an verschiedene Ausgangsstoffe angepasst werden, was ihre Flexibilität erhöht.
Nachteile:
- Wirtschaftlichkeit: Die Verfahren sind derzeit noch nicht in großem Maßstab wirtschaftlich einsetzbar. Gründe dafür sind unter anderem die niedrige Effizienz und die hohen Kosten der Prozesssteuerung.
- Technologische Hürden: Insbesondere die Sauerstoffempfindlichkeit der Biophotolyse und die niedrigen Ausbeuten der Fermentation stellen Herausforderungen dar.
- Skalierbarkeit: Die Übertragung der Prozesse aus dem Labor in industrielle Anwendungen ist technisch komplex und mit hohen Investitionen verbunden.
Wasserstoffherstellung #4: Thermochemische Prozesse
Die thermochemischen Prozesse zur Herstellung von Wasserstoff stellen eine innovative Methode dar, Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Diese Verfahren nutzen hohe Temperaturen und chemische Reaktionen, um Wasserstoff mit potenziell hoher Effizienz zu erzeugen. Im Folgenden werden die wichtigsten Ansätze und ihre Vor- und Nachteile beschrieben.
Hochtemperatur-Wasserstofferzeugung
Die Hochtemperatur-Wasserstofferzeugung ist ein Verfahren, bei dem Wasser bei extrem hohen Temperaturen von über 1000 °C in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Dieses Verfahren setzt auf die thermische Energie, um die Bindungen des Wassermoleküls zu brechen. Der Prozess erfordert entweder die direkte Nutzung von konzentrierter Solarenergie, Kernenergie oder anderen hochenergetischen Wärmequellen.
Vorteile:
- Direkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen (z. B. Solarenergie) zur Wärmeerzeugung.
- Keine Verwendung fossiler Brennstoffe, wodurch keine CO2-Emissionen entstehen.
Nachteile:
- Die hohen Temperaturen stellen enorme technische Herausforderungen dar, insbesondere hinsichtlich der Materialbeständigkeit und der Prozesssteuerung.
- Der Energiebedarf ist sehr hoch, wodurch die Effizienz des Gesamtprozesses stark von der eingesetzten Energiequelle abhängt.
Thermochemische Zyklen
Thermochemische Zyklen sind ein weiteres vielversprechendes Verfahren zur Wasserstofferzeugung. Diese Prozesse basieren auf einer Abfolge chemischer Reaktionen, die immer wieder durchlaufen werden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Ein prominentes Beispiel ist der Schwefel-Iod-Zyklus, der in drei Hauptschritten abläuft:
- Reaktion von Schwefelsäure zur Bildung von Schwefeldioxid, Sauerstoff und Wasser.
- Reaktion von Schwefeldioxid mit Wasserstoffiodid zur Erzeugung von Schwefelsäure und Wasserstoff.
- Wiederverwendung der chemischen Stoffe innerhalb des Zyklus.
Vorteile:
- Hohe theoretische Wirkungsgrade, da die chemischen Reaktionen gezielt aufeinander abgestimmt sind.
- Möglichkeit, Abwärme aus anderen Prozessen (z. B. aus der Industrie) effizient zu nutzen.
Nachteile:
- Hoher technologischer Aufwand und komplexe Anlagenstruktur.
- Benötigt eine konstante und zuverlässige Wärmezufuhr, um die Reaktionen aufrechtzuerhalten.
- Einige der verwendeten Chemikalien sind potenziell umweltschädlich und erfordern ein effektives Recycling.
Potenzial und Herausforderungen
Die thermochemischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung besitzen großes Potenzial, insbesondere im Hinblick auf die Nutzung erneuerbarer Energiequellen und die Senkung von Treibhausgasemissionen. Allerdings stehen sie vor bedeutenden Herausforderungen:
- Materialtechnologie: Die extremen Temperaturen erfordern widerstandsfähige Materialien, die unter diesen Bedingungen stabil bleiben.
- Energieeffizienz: Der Gesamtwirkungsgrad hängt stark von der Integration der Energiequellen ab.
- Wirtschaftlichkeit: Aktuell sind die Kosten für die Errichtung und den Betrieb solcher Anlagen hoch, was eine Kommerzialisierung erschwert.
Wasserstoffherstellung #5: Methanpyrolyse
Die Methanpyrolyse, auch als ein Verfahren zur Herstellung von „blauem Wasserstoff“ bekannt, bietet eine spannende Alternative zu etablierten Methoden wie der Dampfreformierung oder der Elektrolyse. Dieses Verfahren basiert auf der thermischen Zersetzung von Methan und hat das Potenzial, Wasserstoff umweltfreundlicher und effizienter zu produzieren.
Wie funktioniert die Methanpyrolyse?
Bei der Methanpyrolyse wird Methan (CH₄) unter hohen Temperaturen zersetzt, jedoch ohne den Einsatz von Sauerstoff oder Wasserdampf. Im Prozess entsteht Wasserstoff (H₂) als Hauptprodukt und fester Kohlenstoff (C) als Nebenprodukt. Die chemische Reaktionsgleichung lässt sich wie folgt darstellen:
CH4→C+2H2
Der Prozess erfordert Temperaturen von 1000 °C oder höher, wobei oft spezielle Reaktordesigns verwendet werden, um die notwendige Energiezufuhr und Effizienz zu gewährleisten. Zu den gängigen Technologien zählen plasmabasierte Reaktoren oder fluidisierte Bettreaktoren.
Vorteile der Methanpyrolyse
- CO₂-freie Wasserstoffproduktion:
Im Gegensatz zur Dampfreformierung von Methan, bei der große Mengen an CO₂ emittiert werden, entstehen bei der Methanpyrolyse keine Treibhausgase. Dies macht das Verfahren besonders attraktiv in einer Zeit, in der die Reduktion von CO₂-Emissionen eine zentrale Rolle im Kampf gegen den Klimawandel spielt. - Verwertung des Nebenprodukts Kohlenstoff:
Der bei der Methanpyrolyse entstehende feste Kohlenstoff kann vielfältig genutzt werden, beispielsweise in der Bauindustrie, in der Batterieherstellung oder als Zusatzstoff für andere Materialien. Dadurch wird nicht nur Abfall vermieden, sondern es entsteht ein zusätzlicher wirtschaftlicher Nutzen. - Effizienzpotenzial:
Im Vergleich zur Elektrolyse benötigt die Methanpyrolyse keine großen Mengen an Wasser. Zudem ist die Energieeffizienz der Wasserstoffproduktion höher, da keine zusätzlichen chemischen Reaktionen (wie die Wasserspaltung) erforderlich sind.
Herausforderungen und Nachteile
- Technologischer Entwicklungsstand:
Die Methanpyrolyse befindet sich noch in der Entwicklungsphase und hat bislang keine großtechnische Anwendung gefunden. Viele Aspekte, wie die Skalierbarkeit, die Effizienz des Reaktorsystems und die Kostenreduktion, müssen noch optimiert werden. - Hoher Energiebedarf:
Die für den Prozess benötigte Temperatur von über 1000 °C erfordert erhebliche Energiemengen. Damit die Methanpyrolyse nachhaltig ist, sollte diese Energie aus erneuerbaren Quellen stammen. - Methanquelle:
Da Methan oft aus fossilem Erdgas gewonnen wird, bleibt die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bestehen. Eine nachhaltigere Alternative wäre die Nutzung von Biogas oder synthetischem Methan.
Methanpyrolyse im Vergleich zu anderen Verfahren
Im Gegensatz zur Dampfreformierung, die etwa 10 kg CO₂ pro erzeugtem Kilogramm Wasserstoff freisetzt, bietet die Methanpyrolyse eine CO₂-freie Alternative. Auch gegenüber der Elektrolyse, die zwar ebenfalls emissionsfrei ist, jedoch hohe Strommengen benötigt, punktet die Methanpyrolyse durch potenziell geringere Kosten und eine direkte Nutzung von Methan.
Zukunftsperspektiven
Die Methanpyrolyse könnte in den kommenden Jahren eine entscheidende Rolle in der Wasserstoffwirtschaft spielen. Um jedoch marktreif zu werden, sind weitere Fortschritte in der Forschung und Entwicklung nötig. Die Herausforderung liegt insbesondere darin, den Energiebedarf zu senken und die Prozesse wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen. Sollten diese Hürden überwunden werden, könnte die Methanpyrolyse eine Schlüsseltechnologie für die Produktion von klimafreundlichem Wasserstoff werden.
In einer Welt, die sich zunehmend auf erneuerbare Energien und CO₂-arme Technologien konzentriert, hat die Methanpyrolyse das Potenzial, die Wasserstoffproduktion grundlegend zu revolutionieren. Sie könnte als Brückentechnologie fungieren, um den Übergang von fossilen Energien hin zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft zu erleichtern.
Wasserstoffherstellung #6: Plasma- und Mikrowellenverfahren
Plasma- und Mikrowellenverfahren stellen innovative Technologien zur Wasserstoffherstellung dar. Diese Methoden basieren darauf, Wasser oder Kohlenwasserstoffe mit hochenergetischen Plasmen oder elektromagnetischen Mikrowellen zu behandeln. Dabei werden die Moleküle aufgespalten, wodurch Wasserstoff als eines der Hauptprodukte entsteht.
Im Fall von Plasmaverfahren wird ein Gas, wie Wasserstoff oder Stickstoff, durch elektrische Energie in den Plasmazustand überführt, was extrem hohe Temperaturen und eine hohe Reaktivität ermöglicht. Wasser oder Kohlenwasserstoffe, die in das Plasma eingebracht werden, zerfallen in ihre Bestandteile. Mikrowellenverfahren hingegen nutzen hochfrequente elektromagnetische Wellen, um die Moleküle direkt anzuregen und chemische Bindungen aufzubrechen. Dies führt ebenfalls zu einer effizienten Spaltung der Ausgangsstoffe in Wasserstoff und andere Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid oder Sauerstoff.
Vorteile
Plasma- und Mikrowellenverfahren gelten als äußerst innovativ und haben das Potenzial, die Wasserstoffproduktion in eine neue Ära zu führen. Besonders hervorzuheben ist ihre potenzielle Effizienz. Durch die direkte Energieübertragung auf die Moleküle und die hohe Kontrolle der chemischen Reaktionen könnten Verluste minimiert und die Ausbeute maximiert werden. Außerdem bieten diese Verfahren die Möglichkeit, verschiedene Rohstoffe zu nutzen, einschließlich erneuerbarer Energien, wodurch eine CO₂-neutrale Wasserstoffproduktion realisierbar wäre. Ein weiterer Vorteil liegt in der Flexibilität der Prozesse: Sie könnten sowohl in kleinen dezentralen Anlagen als auch in großindustriellen Umgebungen eingesetzt werden.
Nachteile
Trotz des hohen Innovationspotenzials stehen Plasma- und Mikrowellenverfahren noch am Anfang ihrer technologischen Entwicklung. Ein wesentlicher Nachteil sind die hohen Investitionskosten für die Anlagen, die spezialisierte Technologien und Materialien erfordern. Zudem sind viele der Verfahren noch nicht ausgereift und befinden sich in der experimentellen oder pilotartigen Testphase. Herausforderungen bestehen insbesondere in der Skalierbarkeit und der Sicherstellung eines stabilen und zuverlässigen Betriebs über längere Zeiträume. Hinzu kommen hohe Energieanforderungen, die vor allem dann problematisch sind, wenn die Energie nicht aus erneuerbaren Quellen stammt.
Wasserstoffherstellung #7: Kohlevergasung
Die Kohlevergasung ist ein klassisches Verfahren zur Wasserstoffherstellung und wurde bereits früh genutzt, insbesondere in der Zeit, als Stadtgasnetze aufkamen. Damals diente das erzeugte Gas, bekannt als „Wassergas“ oder „Synthesegas“, direkt als Brenngas für Haushalte und Industrie. Dieses Verfahren wurde später durch die Nutzung von Erdgas verdrängt, das leichter verfügbar und wirtschaftlicher war.
Grundprinzip der Kohlevergasung
Im Kern der Kohlevergasung steht die chemische Reaktion von glühender Kohle mit Wasserdampf. Der Prozess erfolgt in zwei alternierenden Phasen, bekannt als Heißblasen und Kaltblasen:
- Heißblasen (Blaseperiode): In dieser Phase wird Kohle durch das Einblasen von Luft stark erhitzt. Dabei entsteht die notwendige Temperatur, um die Kohle zum Glühen zu bringen.
- Kaltblasen (Gaseperiode): Im nächsten Schritt wird Wasserdampf durch das glühende Kohlebett geleitet. Die Kohle reagiert mit dem Wasserdampf unter Bildung von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid:
C+H2O (g)→H2+CO
Diese Reaktion ist endotherm, das heißt, sie benötigt Energie, die durch das Glühen der Kohle bereitgestellt wird.
Weiterverarbeitung zu reinem Wasserstoff
Wird reiner Wasserstoff benötigt, schließt sich ein weiterer Prozess an, um das Synthesegas (eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) weiter zu verarbeiten. Zunächst wird das Gas von schwefelhaltigen Verbindungen gereinigt, um eine optimale Katalysatorleistung zu gewährleisten. Anschließend wird das Gas über Katalysatoren bei Temperaturen oberhalb von 200 °C erneut mit Wasserdampf zur Reaktion gebracht. Dabei wird Kohlenstoffmonoxid in einer exothermen Reaktion zu Kohlenstoffdioxid und zusätzlichem Wasserstoff umgewandelt:
CO+H2O (g)→H2+CO2
Diese sogenannte Wassergas-Shift-Reaktion erhöht die Ausbeute an Wasserstoff und ist ein zentraler Bestandteil des Verfahrens.
Entfernung des Kohlenstoffdioxids
Das bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstandene Kohlenstoffdioxid wird im letzten Schritt entfernt, um den Wasserstoff weiter zu reinigen. Dazu gibt es verschiedene Verfahren, wie:
- Gaswäsche: Das CO₂ wird mit Wasser, Methanol oder Aminen absorbiert.
- Chemische Bindung: Basische Stoffe wie Kaliumhydroxid binden das CO₂ chemisch.
Aktuelle Bedeutung der Kohlevergasung
Obwohl die Kohlevergasung in der Vergangenheit aufgrund der Verfügbarkeit von Erdgas an Bedeutung verloren hatte, erlebt sie heute eine Wiederbelebung. Der Grund dafür liegt in der Suche nach alternativen Wasserstoffquellen, insbesondere in Regionen mit großen Kohlereserven oder in Ländern, die ihre Abhängigkeit von Erdgasimporten reduzieren möchten. Zudem wird die Kohlevergasung in Kombination mit CCS-Technologien (Carbon Capture and Storage) eingesetzt, um den Kohlenstoffdioxidausstoß zu minimieren und das Verfahren klimafreundlicher zu gestalten.
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