// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Neue Wasserstoffproduktion mit CO₂-Abscheidung könnte hocheffizient sein
Bei der Wasserstoffgewinnung aus Erdgas entsteht Kohlendioxid, dessen Abscheidung zusätzliche Energie kosten kann. Eine neue Modellstudie zeigt, dass die chemische Kreislaufreformierung bei der Erzeugung von Wasserstoff rechnerisch 90 bis 99 Prozent des entstehenden CO₂ abtrennen könnte. Je nach Anlagenkonzept erreichen die untersuchten Systeme Wirkungsgrade zwischen 53 und 75 Prozent. Der Nachweis im großtechnischen Betrieb steht noch aus.
Manchester (England). Wasserstoff gilt als möglicher Energieträger für industrielle Prozesse, die sich nur schwer vollständig elektrifizieren lassen. Seine Klimabilanz hängt allerdings davon ab, wie er hergestellt wird. Bei der verbreiteten Produktion aus Erdgas fällt Kohlendioxid an, das für eine emissionsärmere Herstellung abgeschieden und gespeichert oder als Rohstoff genutzt werden müsste.
Bei herkömmlichen Reformierungsverfahren muss das Treibhausgas häufig mit zusätzlichen technischen Schritten aus den entstehenden Gasgemischen entfernt werden. Das benötigt Energie und erhöht den Anlagenaufwand. Die chemische Kreislaufreformierung soll die Trennung dagegen bereits während der Wasserstoffproduktion ermöglichen.
Forscher der University of Manchester (UoM) um Professor Vincenzo Spallina haben nun untersucht, wie effizient dieses Verfahren unter realistischen technischen Randbedingungen sein könnte. Das Team modellierte dazu nicht nur die Reaktionen im Reaktor, sondern auch die Wärmeflüsse und die Leistungsfähigkeit der gesamten Anlage.
Beim chemischen Kreislaufverfahren transportieren feste Sauerstoffträger Sauerstoff zwischen aufeinanderfolgenden Reaktionsschritten. Gleichzeitig entsteht die Wärme, mit der Methan und Wasserdampf zu wasserstoffhaltigem Synthesegas umgesetzt werden. Das Kohlendioxid fällt dabei in einem weitgehend getrennten Gasstrom an, was seine anschließende Abscheidung erleichtert.
Um das Verfahren zu beurteilen, verglichen die Wissenschaftler drei Varianten der Wärmeführung. Sie untersuchten sowohl theoretisch optimierte Entwürfe als auch Konzepte, die heutige Beschränkungen bei Reaktoren, Ventilen und Wärmetauschern berücksichtigen. Berechnet wurden zwei Anlagenmaßstäbe von zwei und 600 Megawatt, die unterschiedliche industrielle Einsatzmöglichkeiten abbilden.
Unter den untersuchten Bedingungen ergaben die Simulationen thermische Wirkungsgrade zwischen 53 und 75 Prozent. Zugleich könnte das Verfahren 90 bis 99 Prozent des innerhalb des Prozesses anfallenden CO₂ abtrennen. Die höchsten Werte beschreiben günstige Modellvarianten und sind keine gemessenen Leistungsdaten bereits betriebener Großanlagen.
Beim Vergleich mit etablierten Verfahren zur Wasserstofferzeugung samt zusätzlicher CO₂-Abscheidung zeigte die Kreislaufreformierung insbesondere für große Anlagen Vorteile bei einzelnen Effizienzkennzahlen. Wie gut das Verfahren abschneidet, hängt unter anderem von der Wärmeführung und der Stromversorgung ab. Teilweise könnte überschüssiger Dampf an andere industrielle Prozesse abgegeben werden.
Nach Ansicht der Forscher ist das Verfahren deshalb besonders für jene Industriebereiche interessant, in denen eine vollständige Umstellung auf Strom bislang schwierig ist. Die Erstautorin hebt dabei hervor, dass die Analyse auch technische Beschränkungen berücksichtigt.
„Wasserstoff wird unverzichtbar sein, um in Bereichen, in denen die Elektrifizierung schwierig oder nicht praktikabel ist, Klimaneutralität zu erreichen. Unsere Arbeit zeigt, dass die chemische Kreislaufreformierung das Potenzial hat, kohlenstoffarmen Wasserstoff effizient bereitzustellen und gleichzeitig den größten Teil des bei dem Prozess entstehenden Kohlendioxids abzuscheiden, entweder zur Speicherung oder als Rohstoff für andere Industrien. Wichtig ist, dass wir die Technologie unter realistischen Betriebsbedingungen und technischen Beschränkungen bewertet haben, um besser zu erkennen, wo sie in künftigen Energiesystemen eingesetzt werden könnte“, erklärt Dr. Isabel Pazmino-Mayorga von der Univers