Partielle Oxidation

Mit dem größer werdenden Interesse an Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Energieerzeugung steigt auch der Bedarf an einer dezentralen Versorgung mit Wasserstoff. Zu den aktuell gebräuchlichen Verfahren der Wasserstoffherstellung gehört die partielle Oxidation. Wie diese funktioniert und welche Arten von partieller Oxidation es gibt, erläutert der folgende Artikel.

Was versteht man unter einer partiellen Oxidation?

Die partielle Oxidation gehört zu den sogenannten Reformierverfahren zur Wasserstoffherstellung. Noch vor der Elektrolyse zählt die Reformierung zu den wichtigsten Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff. So werden pro Jahr weltweit mehr als 500 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff durch Reformierung und rund 15 Milliarden Kubikmeter durch Elektrolyse gewonnen. 1

Für die Reformierung benötigt man äußerst hohe Temperaturen und einen Katalysator. Außerdem ist ein Oxidationsmittel erforderlich, zum Beispiel Wasserdampf, Sauerstoff oder eine Mischung aus beiden Ausgangsstoffen. Wird Sauerstoff verwendet, spricht man von partieller Oxidation. 1

Möglich ist auch die partielle Oxidation von Methan beziehungsweise Erdgas, durch die der Alkohol Methanol erzeugt wird, der auch in Direktmethanol-Brennstoffzellen verwendet wird.

Was passiert bei einer partiellen Oxidation?

Das Verfahren der partiellen Oxidation für Wasserstoff ist technisch sehr ausgereift. Dabei versetzt man den vorhandenen Rohstoff – also Erdgas beziehungsweise schwere Kohlenwasserstoffe wie Heizöl oder Rückstandsöle aus der Erdölverarbeitung mit Sauerstoff. 4 Dieser Prozess läuft exotherm ab, es wird also Wärme abgegeben. Bei den Ausgangsstoffen handelt es sich um die im Raffinerieprozess entstehenden Rückstände, das heißt flüssige Kohlenwasserstoffe. Diese sind zwar flüssig, verfügen aber über eine hohe Viskosität, sind also sehr zäh beziehungsweise dickflüssig. 2

Bei der partiellen Oxidation wird das Gemisch aus Brennstoff und Luft in einem Prozessofen teilweise verbrannt. 3 Über einen eigenen Brenner gelangt es in den mit 40 bis 100 bar Druck betriebenen Reaktor. Durch diesen Prozess entsteht ein Synthesegas, das reich an Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) ist und sich damit für die Weiterverwendung in der Brennstoffzellen-Technologie eignet. Das gewonnene Synthesegas wird anschließend gekühlt und das Kohlenstoffdioxid wird durch eine Aminwäsche separiert.5

Welche Arten der partiellen Oxidation gibt es?

Es gibt zwei Arten der partiellen Oxidation: die Thermisch Partielle Oxidation (TPOX) und die Katalytisch Partielle Oxidation (CPOX). Während man für die Reaktionen bei der TPOX Temperaturen von mindestens 1200 Grad Celsius benötigt, setzt man bei der CPOX ein katalytisches Medium ein. Daher beläuft sich die erforderliche Temperatur bei letzterer auf lediglich 800 bis 900 Grad. 3

Welche Technik im Rahmen der Reformierung zum Einsatz kommt, ist abhängig von der Menge des im Brennstoff vorhandenen Schwefels. Beträgt der Schwefelanteil weniger als 50 Millionstel (ppm) kann die Katalytisch Partielle Oxidation angewandt werden. Da ein höherer Schwefelanteil zu einer Vergiftung des Katalysators führen würde, wendet man für solche Brennstoffe die Thermisch Partielle Oxidation an. 3

Möglich ist darüber hinaus auch die partielle Oxidation mit Kohle. Das chemische Verfahren ähnelt der Reaktion des Öls, zuvor findet aber eine Kohlebehandlung statt. In diesem Schritt wird die Kohle gemahlen und unter Zugabe von Wasser zu einer Suspension vermischt. 4

Was wird bei der partiellen Oxidation frei?

Produkt der partiellen Oxidation als Vergasungsreaktion ist ein Gasgemisch, das als Synthesegas, als Heizgas oder als Ausgangsstoff für die Wasserstoffgewinnung Verwendung findet. Im Rahmen der partiellen Oxidation entstehen neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasser. 5

Was sind die Vor- und Nachteile der partiellen Oxidation?

Bei der partiellen Oxidation handelt es sich um ein effizientes und anerkanntes Verfahren zur Gewinnung von Synthesegas. Vorteilhaft ist, dass sich das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff im Synthesegas durch verschiedene Prozessschritte – zum Beispiel den Einsatz einer Membran – individuell einstellen lässt. Die Mengenverhältnisse können so unproblematisch an die Anforderungen der Kunden angepasst werden. 5 Ein weiterer Vorteil der partiellen Oxidation ist, dass sich die verwendeten Raffinerierückstände mit ihr besonders sauber und wirtschaftlich verwerten lassen. 6

Ein Nachteil der partiellen Oxidation ist ihr vergleichsweise geringer Wirkungsgrad aufgrund der geringen Wasserstoffausbeute sowie das Risiko der Verkokung, also der Umwandlung von Kohle in Koks. 7