Dampfreformierung

Die Dampfreformierung ist das zurzeit wohl gängigste großindustrielle Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus kohlestoffhaltigen Ressourcen wie Erdgas und Biomasse. 1 Was ist die Dampfreformierung? Was sind die Vorteile der Dampfreformierung? Welche Rolle spielt die Dampfreformierung bei Brennstoffzellen? Das und mehr wird im folgenden Artikel beschrieben.

Dampfreformierung Definition

“Was ist die Dampfreformierung?

Bei der Dampfreformierung handelt es sich um ein chemisches Verfahren, bei dem Kohlenstoffmonoxid mit Wasserdampf reagiert. Bei dieser Art der Wasserstoffgewinnung handelt es sich um ein lange bewährtes Verfahren, weshalb dafür heutzutage für Dampfreformierungen spezielle Anlagen mit einer Kapazität von bis zu 100.000 Kubikmeter pro Stunde bereitstehen. Der im Wasserdampf enthaltene Sauerstoff bewirkt eine Oxidation des Brennstoffs, wodurch Wasserstoff (H2) entsteht. Als kohlenstoffhaltige Brennstoffe beziehungsweise Energieträger wird vor allem Erdgas, aber auch Methanol, Leichtbenzin, Biogas oder Biomasse verwendet. 2 Dabei kann der für die Reaktion benötigte Wasserdampf von außen zugegeben werden oder aber von dem jeweiligen Ausgangsstoff selbst stammen. 3"

Die chemische Reaktion der Dampfreformierung ist endotherm, das heißt sie verbraucht Wärme. Oftmals wird sie durch einen Katalysator unterstützt oder aber die benötigte Wärme wird durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugt. Für die Wärmezufuhr von außen sind beispielsweise konzentrierte Solarthermie, Hochtemperatur-Kernreaktoren oder die Abwärme aus Verbrennungsmotoren denkbar. Durch die Dampfreformierung gewinnt man ein Gasgemisch, dessen Energiegehalt den des eingesetzten Brennstoffs deutlich übersteigt. 3

Funktionsweise der Dampfreformierung

Zuerst erfolgt die Spaltung der langkettigen Kohlenwasserstoffe zu Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Dies geschieht unter Zugabe von Wasserdampf bei einer Temperatur zwischen 450 und 500 Grad Celsius und einem Druck zwischen 25 und 30 bar. Anschließend bringt man das Methan bei gleichbleibendem Druck und einer Temperatur zwischen 800 und 900 Grad Celsius mit Wasser zur Reaktion. Um zum Abschluss reinen Wasserstoff zu erhalten, nutzt man Druckwechseladsorbtionsanlagen oder Lauge-Absorbtionsgaswäschen. Diese filtern Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan bis auf wenige Tausendstel heraus. 4

Beim Einsatz von Erdgas – dessen Hauptbestandteil Methan (CH4) ist – findet im Rahmen der Dampfreformierung also folgende Reaktion statt:

CH4 + H2O → CO + 3 H2

(Methan + Wasserdampf → Kohlenmonoxid + Wasserstoff)

Um die Wasserstoffausbeute bei der Dampfreformierung zu erhöhen, kann man das entstehende Kohlenmonoxid durch eine zweite Reaktion zu Kohlendioxid und noch mehr Wasserstoff umsetzen. Diese Vorgehensweise nennt sich Wassergas-Shift-Reaktion:

CO + H2O → CO2 + H2

“Welche Nutzen hat die Dampfreformierung?

Obwohl zur Umsetzung der Dampfreformierung Hochtemperaturwärme zugeführt werden muss, lässt es sich autotherm durchführen. Möglich ist dies durch die parallel stattfindende partielle Oxidation des Kohlenwasserstoffs. Der Wirkungsgrad der Wasserstoff Dampfreformierung (bei der Benutzung von Erdgas) liegt bei etwa 60 bis 70 Prozent. 2"

Vorteile der Dampfreformierung

“Warum ist die Dampfreformierung wichtig und wofür wird sie angewandt?

Die Dampfreformierung wird in großindustriellen Kontexten angewendet, um Wasserstoff herzustellen – so zum Beispiel für den Einsatz in Erdölraffinerien. 3 Die Dampfreformierung ist einer der am häufigsten eingesetzten Prozesse für die Wasserstoffgewinnung. Als Ausgangsstoffe werden in der Regel fossile Brennstoffe wie Erdgas und Erdöl oder Kohle verwendet. Unter Druck und hohen Temperaturen wandelt man die in den Energieträgern enthaltenen Kohlenwasserstoffe dann in Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid um. Diese Stoffe werden dann anschließend zu Wasserstoff katalysiert."

Alternativ zu fossilen Brennstoffen kann man für die Dampfreformierung auch Biomasse nutzen. Auf diese Weise verbessert man die gesamte CO2-Bilanz des Prozesses. Weil sich für das Verfahren nahezu jede Art von Biomasse eignet, ist der Wasserstoff-Output sehr hoch. Den so erzeugten Wasserstoff bezeichnet man auch als Biowasserstoff. 5

Was sollte man noch über die Dampfreformierung wissen?

Bereits rund 70 Prozent des weltweit hergestellten Wasserstoffs stammen aus der Dampfreformierung. Das liegt auch daran, dass für die Dampfreformierung von Wasserstoff vergleichsweise günstige Kosten anfallen. Teurere Verfahren hinken hinterher: So macht der Anteil an Wasserstoff, der durch Elektrolyse gewonnen wird, nur etwa fünf Prozent aus. Ein Kilogramm Wasserstoff, das aus Erdgas gewonnen wird, kostet knapp zwei Euro. Die Kosten für Wasserstoff aus Elektrolyse belaufen sich auf mehr als das Dreifache. 6

Wie steht es um die Verwendung erneuerbarer Ressourcen bei der Dampfreformierung? Der Einsatz alternativer Brennstoffe verspricht geringere Emissionen bei der Dampfreformierung. Vergleicht man die Verwendung von Biogas und Biomasse mit der von Erdgas, ergeben sich jedoch mehrere Nachteile gegenüber dem fossilen Brennstoff. So besitzt der erzeugte Wasserstoff einen deutlich niedrigeren Reinheitsgrad. Hinzu kommt, dass die Reinigung sehr aufwendig ist und den Emissionsvorteil von Biowasserstoff wieder ausgleicht. Darüber hinaus fallen die Herstellungskosten bei der Dampfreformierung aus Biomasse sehr hoch aus. Das liegt vor allem daran, dass Biomasse als Ausgangsstoff noch wenig bekannt ist und daher auch das Produktionsvolumen recht niedrig ist. 5

Was sollte man über die Brennstoffzellen von SFC Energy wissen?

Die Dampfreformierung spielt für Wasserstoff- und Direktmethanol-Brennstoffzellen eine wichtige Rolle. Denn um Wasserstoff als Treibstoff einsetzen zu können, muss zunächst dessen Herstellung aus anderen Brennstoffen beziehungsweise Energieträgern erfolgen. Der für zahlreiche Anwendungen geeignete und wohl wichtigste Brennstoffzellentyp ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Diese läuft in der Regel mit Hilfe von Wasserstoff, der durch Dampfreformierung aus Methan oder Methanol gewonnen wurde. Damit erreicht die Wasserstoff-Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von rund 60 Prozent. 7

Die EFOY Brennstoffzellen basieren auf der Direkt-Methanol-Brennstoffzellen-Technologie. Sie erzeugen Strom aus der Kombination von Methanol mit Sauerstoff aus der Luft. Das Methanol wird dabei direkt in Strom umgewandelt, Nebenprodukte sind neben der Abwärme lediglich Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. 8 Bei den EFOY Hydrogen-Brennstoffzellen dagegen handelt es sich um Wasserstoff-Brennstoffzellen, die auf der Polymerelektrolytmembran-Technologie beruhen. Der von ihnen erzeugte Strom entsteht durch die Kombination aus Sauerstoff und dem Betriebsstoff Wasserstoff. Der Wasserstoff wird dabei direkt in Strom umgewandelt. Bei beiden Verfahren handelt es sich um sehr umweltfreundliche Arten der Stromherstellung. 9

Fazit

Der Prozess der Dampfreformierung zu Wasserstoff nutzt meist Erdgas oder Rückstände der Erdölindustrie, die mit Wasserdampf angereichert werden. Unter starker Wärmezufuhr und hohem Druck wird das Gemisch anschließend zu Wasserstoff umgewandelt. Ein Nebenprodukt des Prozesses ist Kohlenmonoxid, welches sich allerdings ebenfalls in Wasserstoff umwandeln lässt. Aufgrund der teilweisen Oxidation des Kohlenwasserstoffs lässt sich die Dampfreformierung autotherm durchführen. Der Dampfreformierung Wirkungsgrad ist entsprechend hoch und liegt bei 60 bis 70 Prozent. Insbesondere für die Brennstoffzellen-Technologie stellt die Dampfreformierung deshalb ein sehr wichtiges Verfahren dar.