Methanol zu Wasserstoff: Demonstrationsanlage für eine netzunabhängige Stromversorgung mittels Dampfreformer
Im Technikum des Rostocker Leibniz-Instituts für Katalyse, LIKAT,
beliefert ein Methanol-Dampfreformer im kontinuierlichen Betrieb und unter
vergleichsweise milden Temperaturen eine Brennstoffzelle mit hochreinem
Wasserstoff. Es ist die erste Demonstrationsanlage im
Niedertemperaturbereich für derartige Verfahren, wenig größer als ein
Kleiderschrank und damit kompakt genug, um z.B. regionale Räume nach
klimaneutralen Konzepten netzunabhängig mit Elektronenergie zu versorgen.
Die Anlage entstand im Verbund mit der Friedrich-Alexander-Universitä
(FAU) Erlangen-Nürnberg, mit dem Projektentwickler ATI Küste sowie zwei
Unternehmen für Automatisierung und Anlagenbau in Sachsen-Anhalt und
Berlin.
Mit 800 Stunden kontinuierlicher Laufzeit hat die Anlage ihren
Funktionstest bestanden. Nach den Worten des Projektkoordinators, LIKAT-
Chemiker Dr. Sebastian Wohlrab, setzt sie mit dem Reformer Methanol und
Wasser katalytisch zu Wasserstoff (H2) um, der wiederum auf direktem Wege
aufgereinigt wird und so eine angeschlossene Brennstoffzelle befeuert.
Gefördert wurde das Verbundprojekt namens MEGA (MEthanolreformer mit
innovativer GAsreinigung) vom Bundesministerium für Wirtschaft. Die
Demonstrationsanlage ist Teil eines zukunftsfähigen Konzepts zur
klimaneutralen Versorgung vor allem ländlicher Räume mit Elektroenergie.
„Und zwar unabhängig sowohl vom Stromnetz als auch von Windaufkommen und
Sonnenlicht“, sagt Dr. Henrik Junge, unter dessen Leitung am LIKAT die
erforderlichen Katalysatoren entwickelt wurden.
Chemischer Speicher für Wasserstoff
Wasserstoff aus regenerativen Quellen birgt großes Potential für die
Energiewende, erweist sich aber nach wie vor als nur eingeschränkt
transport- und lagerfähig, wie Wohlrab und Junge erläutern. Alternativ
lässt sich H2 chemisch in Methanol speichern, das sich deutlich einfacher
als gasförmiger Wasserstoff transportieren und aufbewahren lässt.
„Die Idee unseres Konzeptes ist es, einen Kreislauf zu schließen“, sagt
Dr. Junge. Also zum einen den Wasserstoff durch Elektrolyse mittels Strom
aus Wind und Sonne zu erzeugen und ihn mit CO2 in Methanol zu speichern.
Und zum anderen den Wasserstoff in Zeiten von Windflaute und Dunkelheit
wieder aus dem Methanol zurückzugewinnen und in Brennstoffzellen zur
Stromerzeugung zu nutzen. Das nun abgeschlossene Projekt fokussierte sich
auf den zweiten Schritt, die Freisetzung hochreinen Wasserstoffs durch
Niedertemperatur-Dampfreformie
des Verfahrens.
Nach Auskunft der beiden Chemiker wird demnächst auch das Methanol direkt
am LIKAT aus Kohlendioxid hergestellt werden können, um so letztlich den
Gesamtkreislauf einer klimaneutralen chemischen Energiespeicherung und
-nutzung auf Basis von Wasserstoff zu realisieren. Im Technikum, wenige
Meter vom Dampfreformer entfernt, entsteht bereits die neue Anlage für die
Methanol-Synthese.
Bi-katalytisches System auf Ruthenium-Basis
Der Methanol-Dampfreformer weist gegenüber herkömmlichen Verfahren einige
Vorzüge auf. „Zum einen ist es uns durch ein neues bi-katalytisches System
auf Basis von Ruthenium gelungen, die Temperatur im Reaktor unter 150 Grad
Celsius zu halten“, sagt Henrik Junge. Üblich sind bisher deutlich höhere
Temperaturen.
Die zweite Besonderheit liegt in der hohen Reinheit des produzierten
Wasserstoffs. Normalerweise enthält Wasserstoff nach solchen Prozessen
störende Anteile von CO2 und Kohlenmonoxid (CO). Vor allem Kohlenmonoxid
wirkt sich negativ auf Betrieb und Lebensdauer von Brennstoffzellen aus,
wie Dr. Junge erläutert. Für Niedertemperatur-Brennstoffzel
derzeit leistungsfähigsten ihrer Art, dürfe der CO-Gehalt zehn ppm (parts
per million) nicht überschreiten. Sebastian Wohlrab: „Unsere Anlage hält
die geforderten Parameter durch einen integrierten Adsorber jederzeit
ein.“
Beitrag unterschiedlicher Expertisen
Für den erfolgreichen Abschluss dieses Verbundprojekts führte das LIKAT
die unterschiedlichsten Expertisen zusammen. Die verwendeten Katalysatoren
sind Kernstück des Reformers und wurden überwiegend von einem Doktoranden
am Institut, Hendrick Kempf, synthetisiert und optimiert.
Verfahrenschemiker an der FAU Erlangen-Nürnberg ertüchtigten den
Katalysator für den kontinuierlichen Prozess, indem sie ihn mittels
spezieller Technologien in einer flüssigen Phase auf einen festen Träger
aufbrachten. In den beiden Reaktorröhren der Anlage stecken nach Angaben
von Dr. Junge „sieben Kilogramm Aluminiumoxid, dotiert mit 130 Gramm von
unseren Ruthenium-Katalysatoren“.
Die ATI Küste GmbH kombinierte zwei Adsorbermaterialien in einem kompakten
Druckwechseladsorber, der den Wasserstoff von CO2 und von CO befreit. Um
im weiteren Prozess den CO-Grenzwert nicht zu überschreiten, schlossen die
Chemiker einen kleinen Shift-Reaktor als zusätzliches Schutzmodul für die
Brennstoffzelle an.
Die Berliner Firma Sigmar Mothes Hochdrucktechnik, HDT, baute wesentliche
Teile der Demonstrationsanlage. Die umfangreiche Anlagensteuerung wurde
vom Automatisierungsanlagenbauer GESA in Teuchern, Sachsen-Anhalt,
entwickelt. Für den Aufbau im LIKAT-Technikum zeichnete Dr. Wohlrab
verantwortlich. Unter Dr. Stefan Peters und Dr. Alejandra Carbajal, zwei
Mitarbeitern in seinem Bereich, kam die Anlage schließlich ins Laufen. Sie
absolvierte Tests nach unterschiedlichen Szenarien, was etwa die
Zudosierung von Methanol und Wasser sowie das Temperaturregime betrifft.
Ihr Probelauf wurde im Schichtbetrieb überwacht.
Hoffnung für Energiewende
Dr. Junge: „Auf Basis dieser Ergebnisse sind Unternehmen nun in der Lage,
unter unserer Assistenz ein zukunftsfähiges Produkt zu entwickeln.“
Abgesehen von gelegentlicher Wartung werde eine solche Anlage selbständig
laufen.
„Vor gut fünfzehn Jahren gab es nur eine Handvoll Gruppen, die sich mit
solcherart Grundlagen der chemischen Wasserstoffspeicherung für die
künftige Energieversorgung befassten.“ Inzwischen würden etliche Labors in
der Welt dieses Feld bearbeiten. Auf Konzepten wie diesem lägen weltweit
die Hoffnungen für eine klimaneutrale Energieversorgung.
