Die wachsende Rolle von Wasserstoff für saubere Energie

Das Potenzial von Wasserstoff, eine wichtige Rolle bei der weltweiten Suche nach sauberer und sicherer Energie zu spielen, gewinnt zunehmend an Bedeutung, da immer mehr Industrien und Regierungen in Projekte investieren, die dieses Ziel verfolgen. Angetrieben von der Sorge um den Klimawandel drängen sowohl Investoren als auch politische Entscheidungsträger auf eine aggressive Reduzierung des CO2-Ausstoßes. Während Wasserstoff in der Vergangenheit als saubere Energiequelle Beachtung gefunden hat, ist die aktuelle Dynamik, die durch Dekarbonisierungsziele und verbesserte Technologien angeheizt wird, vielversprechender für die Realisierung seines Potenzials.

Als Kraftstoff bietet Wasserstoff den Vorteil, dass bei der Verbrennung kein Kohlendioxid entsteht. Der Großteil des weltweiten Wasserstoffangebots wird jedoch derzeit aus fossilen Brennstoffen hergestellt und industriell hauptsächlich für die Erdölraffinerie- und Düngemittelindustrie verwendet. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA; The Future of Hydrogen: Seizing today's Opportunities, Juni 2019, www.iea.org) verursacht die Produktion von Wasserstoff jährlich etwa 830 Millionen Tonnen CO2-Emissionen. Es gibt jedoch einen Anstieg von Projekten zur Herstellung von „grünem“ Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser.

Durch Wasserelektrolyse erzeugter Wasserstoff erzeugt nur Wasserstoff und Sauerstoff und trägt daher nicht zu den Treibhausgasemissionen bei. Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie können zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden, was ihn zu einer attraktiven Option für die Speicherung der schwankenden Produktion dieser Quellen macht. Laut dem IEA-Bericht ist „die Zeit reif, das Potenzial von Wasserstoff zu nutzen, um eine Schlüsselrolle in einer sauberen, sicheren und erschwinglichen Energiezukunft zu spielen“.

In den folgenden beiden Artikeln werden einige Aktivitäten untersucht, bei denen es darum ging, die Produktion von „grünem“ Wasserstoff als Kraftstoff der nächsten Generation sowie für die industrielle Nutzung voranzutreiben. Der erste Artikel konzentriert sich auf Elektrolyseur-Technologien, während der zweite Artikel einen Überblick über Aktivitäten rund um die Wasserstoffproduktion, seinen Einsatz im Transportwesen und mehr bietet.

- Dorothy Lozowski, Redaktionsleiterin, Chemieingenieurwesen und Energie

ABBILDUNG 1. Hersteller von Elektrolyseuren erweitern ihre Kapazitäten, um der wachsenden weltweiten Nachfrage gerecht zu werden

Technologische und wirtschaftliche Fortschritte haben Wasserstoff in vielen Branchen in den Vordergrund der Nachhaltigkeitsstrategien gerückt, und Endverbraucher hoffen, von dem Versprechen profitieren zu können, die CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren oder ganz zu eliminieren.

Ein Großteil der heutigen Aktivitäten rund um Wasserstoff sind Elektrolyseure, modulare Verarbeitungseinheiten, in denen elektrischer Strom angelegt wird, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Wenn Elektrolyseure mit erneuerbaren Stromquellen wie Wind- oder Solarenergie betrieben werden, produzieren sie emissionsfreies oder „grünes“ H2.

In den letzten Jahren wurde die Produktion von Elektrolyseuren deutlich gesteigert, um die weltweite Nachfrage nach grünem H2 zu decken. Im Juni 2020 erweiterte die thyssenkrupp Industrial Solutions AG (Essen, Deutschland; www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com) in Zusammenarbeit mit De Nora SpA (Mailand, Italien; www.denora.com) ihre Produktionskapazitäten für Elektrolyseureinheiten ( Abbildung 1). „Wir sind jetzt in der Lage, Elektrolyseanlagen mit einer Jahreskapazität von 1 Gigawatt zu bauen und werden unsere Kapazitäten noch weiter ausbauen“, erklärt Christoph Noeres, Leiter Energiespeicher und Wasserstoff bei thyssenkrupp. Diese Elektrolyseure werden als vorgefertigte, auf Rahmen montierte Module angeboten (Abbildung 2), die zur einfachen Erweiterung der Produktionskapazität kombiniert werden können. Der Ausbau der Elektrolysekapazitäten werde laut Noeres dazu beitragen, wirtschaftlich vielversprechende Wertschöpfungsketten zu realisieren, nicht nur für die großtechnische Produktion von grünem H2, sondern auch für die anschließende Herstellung nachhaltiger Chemikalien wie Ammoniak und Methanol. „Grüner H2 wird eine zentrale Rolle bei der Erreichung der Treibhausgasneutralität sowie der Etablierung einer Kreislaufwirtschaft spielen“, fügt Noeres hinzu. Absehbar konzentriert thyssenkrupp seine Entwicklungsprojekte auf Regionen mit günstigen Bedingungen für Power-to-X-Anwendungen. Anfang des Jahres gab das Unternehmen bekannt, dass seine Elektrolyseanlagen über das virtuelle Kraftwerk von E.ON an den deutschen Strommarkt angeschlossen werden können und so als großflächige Puffer zur Stabilisierung des Stromnetzes fungieren. Für diesen ehrgeizigen Meilenstein mussten die Elektrolyseure mehrere Lastwechsel-Qualifikationskriterien erfüllen, die in den Netzrichtlinien der Übertragungsnetzbetreiber aufgeführt sind. Damit konnte nachgewiesen werden, dass sie über ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit und Flexibilität verfügen, um am Energieausgleichsmarkt teilzunehmen.

Es gibt zwei Haupttypen von Elektrolyseuren auf dem Markt: alkalische Elektrolyseure und Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM). Zu den weiteren aufkommenden Elektrolysetechnologien, die sich überwiegend noch in der Entwicklungsphase befinden, gehören die Anionenaustauschmembran (AEM), die Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) und die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung. In einem alkalischen Elektrolyseur wird das Wasser in Gegenwart einer ätzenden Elektrolytlösung – häufig Kaliumhydroxid (KOH) – in seine Bestandteile gespalten. Bei der Wasserspaltungsreaktion in einem PEM-Elektrolyseur werden die Elektrolyte aus einem Katalysator gewonnen, der auf einer Polymermembran aufgebracht ist.

Die alkalische Elektrolyse ist die etabliertere Technologie und alkalische Elektrolyseure sind in der Regel kostengünstiger. PEM-Elektrolyseure bieten jedoch einen gewissen Mehrwert, da sie schneller auf Leistungsänderungen reagieren. Darüber hinaus werden PEMs oft als sicherere Option angesehen, da die Membran eine physikalische Barriere zwischen dem produzierten H2 und O2 darstellt.

ABBILDUNG 2. Durch ihren modularen Aufbau eignen sich Elektrolyseure für große und kleine Anlagen

Obwohl Elektrolyseure nicht neu sind, haben jüngste Entwicklungsarbeiten und Branchentrends sie im Vergleich zur herkömmlichen H2-Produktion aus Erdgas mittels Dampf-Methan-Reformierung (SMR) deutlich attraktiver gemacht, sagt David Bow, Senior Vice President, Corporate Business Development & Strategy, Nel Hydrogen (Wallingford, Connecticut; www.nelhydrogen.com). „Die Elektrolyseur-Industrie hat ihre Kapitalkosten in den letzten zwei bis drei Jahren um bis zu 75 % gesenkt, was hauptsächlich auf den Marktbedarf nach größeren Systemen und Innovationen bei Systemdesign und -herstellung zurückzuführen ist“, erklärt Bow. Die Verbreitung kostengünstiger erneuerbarer Energien ist neben dem Druck, Nachhaltigkeitsziele von Unternehmen und Regierungen zu erreichen, ebenfalls eine enorme treibende Kraft. „Ein SMR wird 10 bis 12 Tonnen CO2 pro produzierter Tonne H2 produzieren. Jetzt kann kostengünstiger erneuerbarer Strom geliefert werden, um grünen H2 ohne CO2-Emissionen herzustellen“, sagt Bow. Ein Hauptziel der Elektrolyseur-Anbieter ist das Erreichen der „fossilen Parität“ – das heißt, der Elektrolyseur kann grünen H2 zum gleichen Preis produzieren wie die Verwendung eines SMR mit Erdgas („grauer“ Wasserstoff).

ABBILDUNG 4. AEM-Elektrolyseure sind bereit, die Vorteile von alkalischen und PEM-Elektrolyseuren zu kombinieren, die derzeit die dominierenden Technologien auf dem Markt sind

Nachdem erhebliche Kostensenkungen erzielt wurden, konzentriert Nel seine Entwicklungsanstrengungen nun stärker auf die Verbesserung der Effizienz und Leistung von Elektrolyseuren, einschließlich Arbeiten zur Verringerung der Menge an Edelmetallen (wie Platin und Iridium) in PEM-Katalysatoren und Fortschritte in der Elektrodentechnologie für alkalische Systeme.

Die Geographie ist ein wichtiger Faktor beim Vergleich der Wirtschaftlichkeit von SMRs mit Elektrolyseuren. In einigen Gebieten, in denen Erdgasrohstoffe für SMR-Einheiten knapp sind, muss Erdgas verschifft werden; oder H2 wird über Rohranhänger oder in flüssiger Form in Tankwagen transportiert, was sehr ineffizient und CO2-intensiv ist. „Da es sich bei H2 um ein so leichtes Molekül handelt, kann ein Vollrohr-Sattelzug nur etwa 350 kg transportieren. Darüber hinaus entstehen bei der Speicherung von Wasserstoff als Flüssigkeit erhebliche Verluste, da er bei Temperaturänderungen entweicht“, erklärt Bow. Dies macht die Vor-Ort-Erzeugung von H2 zu einem viel attraktiveren Angebot für große Wasserstoffverbraucher wie Ammoniakanlagen, Methanolanlagen und Erdölraffinerien.

Während SMRs bei weitem die dominierende Technologie sind, setzen viele chemische Verarbeitungsstandorte auf Elektrolyseure, um die SMR-Kapazität zu erhöhen und die Anlagenflexibilität zu erhöhen, da Elektrolyseure über ein großes Turndown-Verhältnis effizient arbeiten können und leicht skalierbar sind. Bow erwähnt ein Beispiel eines großen Chemieherstellers, der H2 von einer nahegelegenen SMR-Anlage kaufte und feststellte, dass sein Bedarf die Kapazität der SMR überstieg. „Sie dachten darüber nach, eine weitere SMR-Einheit zu kaufen, anstatt auf Elektrolyseure umzusteigen oder flüssiges H2 in Tankwagen zu transportieren, und stellten fest, dass in Reihe geschaltete Elektrolyseure mehr Effizienz bei geringeren Kosten bieten“, sagt Bow.

Nel hat eine Reihe von Tests im Pilotmaßstab für verschiedene H2-Anwendungen durchgeführt und so Standorten beim Übergang von grauem zu grünem H2 geholfen. „Viele, wenn nicht alle großen Ammoniakproduzenten erwägen ein gewisses Maß an Elektrolysetests. Wir haben in Minnesota ein Wind-zu-Ammoniak-Projekt, das bereits seit mehreren Jahren läuft, und viele weitere sind in der Pipeline. Wir haben auch ein Projekt verkauft „Es gibt eine Reihe großtechnischer alkalischer Elektrolyseure zur Herstellung von Ethylen und Zuckeralkoholen, die beide dabei große Mengen H2 verbrauchen“, sagt Bow.

Nel Hydrogen ist einer von mehreren Empfängern von Mitteln im Rahmen der Initiative [email protected], die vom US-Energieministerium (DOE; Washington, DC; www.doe.gov) über das Hydrogen des Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) finanziert wird und Büro für Brennstoffzellentechnologien (HFTO). Im Juli wurden 64 Millionen US-Dollar an Fördermitteln für 18 Projekte vergeben, die die Ziele von [email protected] unterstützen, die US-amerikanische Wasserstoffwirtschaft voranzutreiben. Fast 15 Millionen US-Dollar der letzten Finanzierungsrunde flossen in Projekte, die sich speziell auf die Herstellung von Elektrolyseuren konzentrieren. „Ein Vorteil von Elektrolyseuren ist ihre Eignung für intermittierende erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne. Anstatt die Leistung zu drosseln, können Elektrolyseure zur Herstellung von H2 entweder zur Energiespeicherung oder für andere wertschöpfende Endanwendungen verwendet werden, wie z Herstellung von Chemikalien oder Stahl", erklärt HFTO-Direktorin Sunita Satyapal.

Bei Elektrolyseuren besteht das Hauptziel von [email protected] darin, die Effizienz und Haltbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtkosten zu senken. Mit der Weiterentwicklung der Elektrolysetechnologien weist Satyapal auf einen Trend hin zu ganzheitlicheren und gemeinschaftlicheren Entwicklungsprojekten hin. „Anstatt sich mit bestimmten Komponenten wie Katalysatoren oder Membranen zu befassen, beschäftigt sich ein Großteil der aktuellen Arbeit mit der Integration von Materialien und Herstellungsprozessen und wie wir sie möglicherweise integrieren können, um sie in großem Maßstab herstellen zu können“, sagt sie. „Ein Beispiel für einen einzigartigen Bereich, den wir gefördert haben, sind Qualitätskontrollmethoden. Wenn wir Elektrolyseure auf den Gigawatt-Maßstab hochfahren wollen, würden die Komponenten im Idealfall nicht in Batch-Prozessen hergestellt, also streben wir einen höheren Durchsatz an.“ kontinuierliche Prozesse wie Rolle-zu-Rolle sowie Hochgeschwindigkeitsinspektion großflächiger Komponenten, um Fehler zu finden, die sich auf die Haltbarkeit auswirken könnten.“ Zu den weiteren wichtigen Entwicklungsbereichen gehören: Membranbeschichtungstechniken und die Vereinfachung der Membranherstellung; Optimierung der porösen Transportschicht; und Reduzierung des Edelmetallgehalts. Darüber hinaus arbeitet [email protected] an zwei neuartigen Nuklear-zu-H2-Projekten in den USA

[email protected] konzentriert sich auf mehrere Anforderungen an die Produktion, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff, einschließlich PEM-Elektrolyseuren, die auf dem Markt an Bedeutung gewinnen, aber immer noch Potenzial für erhebliche Kostensenkungen haben. Die Qualität des Speisewassers sei ein weiterer aufstrebender Forschungsbereich des Projekts, sagt Satyapal. „Wir haben einige Projekte im Anfangsstadium, die die Möglichkeit untersuchen, schmutziges Wasser oder Salzwasser zu verwenden, anstatt hochreines Wasser für die Elektrolyse zu benötigen“, fügt sie hinzu. „Wir haben auch ein einzigartiges Projekt in den USA, bei dem wir H2 mit einem Elektrolyseur produzieren und ein biologisches System verwenden, um erneuerbares Methan mit H2 und CO2 herzustellen“, sagt Satyapal.

Synergien mit Erdgas sind ein weiterer Bereich mit großem Interesse, insbesondere die Mischung von H2 und Erdgas mit der Möglichkeit, Wasserstoff in Erdgaspipelines einzuspeisen. Allerdings kann bei der H2-Mischung die Materialkompatibilität je nach verwendeten Materialien ein großes Problem darstellen, und viele Forschungsaktivitäten befassen sich mit den Auswirkungen von Wasserstoff auf die Versprödung und seinen Einfluss auf Metalle und Polymere, wie vom H-Mat-Konsortium des DOE untersucht.

Ein bedeutender Meilenstein in der H2-Mischung fand im Juli 2020 statt, als Baker Hughes (Houston; www.bakerhughes.com) und Snam (San Donato Milanese, Italien; www.snam.it) die Tests der weltweit ersten „hybriden“ Wasserstoffturbine abschlossen Entwickelt für ein Gasnetz mit dem ultimativen Ziel, mit Erdgas gemischtes H2 in die aktuelle Übertragungsinfrastruktur von Snam einzuspeisen.

ABBILDUNG 3. Diese kompakten Elektrolyseeinheiten sind für die Installation an schwierigen Standorten, wie z. B. am Kopf einer Windkraftanlage, für eine optimierte Energiespeicherung konzipiert

Die Höller Electrolyzer GmbH (Wismar, Deutschland; www.hoeller-electrolyzer.com) hat eine optimierte Zelloberflächentechnologie für kompakte PEM-Elektrolyseure entwickelt (Abbildung 3), die die benötigte Menge an Edelmetallen reduziert und den Betriebsdruck erhöht. Höller konzipiert seine PEM-Zellenstapel für anspruchsvolle Installationen, beispielsweise für die Integration des Stapels direkt in den Kopf einer Windkraftanlage. „Der entscheidende Vorteil der PEM-Elektrolyse besteht darin, dass sich die H2-Produktion nahezu verzögerungsfrei mit der bereitgestellten Energie ändert, sodass Prozesse mit einem sich ändernden Bedarf an H2 ideal dazu passen“, sagt Matthias Kramer, Finanzvorstand bei Höller. Laut Höller bewältigen seine Stacks Lastwechsel von 0 auf 100 % der Nennlast innerhalb von Sekunden. Während PEM angesichts der wechselnden Nachfrage flexibel ist, betont Kramer auch seine Fähigkeit, kontinuierlich zu arbeiten. Darüber hinaus kann der Stapel mit einem Druck von 50 bar oder mehr beaufschlagt werden, was die direkte Lagerung komfortabler macht. Die proprietäre PEM-Technologie von Höller wurde in einem Proof-of-Concept am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE; Freiburg im Breisgau, Deutschland; www.ise.fraunhofer.de) demonstriert, und Kramer sagt, dass das Unternehmen die Installation eines Prototyps erwartet Bis Ende 2020 soll die Anlage fertiggestellt werden. Darüber hinaus laufen Gespräche über ein Pilotprojekt für die neuen PEM-Stacks in einem Windpark in Schleswig-Holstein.

ABBILDUNG 5. Eine Molekularsiebeinheit kann zu Entwässerungszwecken hinter einem Elektrolyseur installiert werden

Eine neue Technologie zur H2-Produktion ist die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM) (Abbildung 4). „AEM ist so etwas wie eine Hybridlösung, die die Vorteile von PEM und der traditionellen membranbasierten alkalischen Elektrolyse vereint“, erklärt Oliver Conradi, auf Membranforschung bei Evonik Industries AG (Essen, Deutschland; www.evonik.com) spezialisiert. „Bei der alkalischen Elektrolyse handelt es sich offensichtlich um sehr basische Bedingungen, während es bei der PEM um ein saures Milieu geht. Diese jeweiligen pH-Werte erfordern bestimmte Materialien. Bei alkalischen Bedingungen können Sie günstigere Materialien wie Edelstahl und Nickel verwenden, während Sie bei der PEM Platin oder Platin verwenden müssen.“ „Für den Katalysator müssen andere Edelmetalle verwendet werden und die elektrochemische Zelle muss auf Titan basieren, sodass die Investitionskosten für PEM viel höher sind“, erklärt Conradi. PEM-Systeme überwinden jedoch einige der grundlegenden Einschränkungen der herkömmlichen alkalischen Elektrolyse – aufgrund des spezifischen Zelldesigns in alkalischen Systemen sind Stromdichte und Effizienz begrenzt, und es ist schwieriger, ein alkalisches System unter Druck zu setzen, was bedeutet, dass ein zusätzlicher Kompressionsschritt erforderlich ist typischerweise erforderlich. „Bei PEM-Anlagen erleichtert die dichte Membran die Druckbeaufschlagung des gesamten Systems. Mit AEM kann man grundsätzlich die Vorteile beider moderner Technologien kombinieren und gleichzeitig deren Nachteile ausgleichen“, betont Conradi Die größte Hürde bei der Entwicklung eines effektiven AEM-Systems ist die Entwicklung eines geeigneten Polymermembranmaterials, das alkalischen Bedingungen standhält.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der kationischen Einheit, die für den Transport der Hydroxidionen von der Kathode zur Anode verantwortlich ist. Zusätzlich zur Stabilität in einer alkalischen Umgebung muss das Polymer auch eine hohe Ionenleitfähigkeit und Stabilität unter Druckelektrolyseurbedingungen bieten. Inspiriert von einer bestehenden Membrantechnologie zur Gastrennung hat Evonik eine neue Polymerchemie mit einer proprietären ionenleitenden kationischen Einheit entwickelt. Als Teil des AEM-fokussierten Channel-Konsortiums weitet Evonik die Produktion des Polymers aus und erweitert auch die Membranherstellung auf einer Pilotbeschichtungslinie. „Das Konsortium baut einen AEM-Elektrolyseur, um zu zeigen, dass die Membran und andere Komponenten unter anspruchsvollen Bedingungen funktionieren“, erklärt Conradi. Die erste AEM-Demonstratoreinheit der Gruppe befindet sich im Labormaßstab, wo Testprotokolle ausgeführt werden, um reale Bedingungen widerzuspiegeln. „Die nächsten Meilensteine werden der Nachweis der Systemzuverlässigkeit und die Vergrößerung der Stapelgrößen sein, während gleichzeitig auch die Membranverarbeitung gesteigert wird“, fährt er fort.

Obwohl Elektrolyseure hinsichtlich Effizienz und Kosten Fortschritte gemacht haben, erfordert der erzeugte H2 häufig noch Nachbearbeitungsschritte wie Komprimierung, Dehydrierung oder Reinigung. „Elektrolyse-Stacks erzeugen in der Regel keinen Wasserstoff, der direkt zur Nutzung geeignet ist. Wenn man den produzierten Wasserstoff speichern, verteilen oder nutzen möchte, müssen Schadstoffe entfernt werden“, sagt Jordi Zonneveld, Manager des Wasserstoffportfolios bei Frames Group (Alphen aan den Rijn, Niederlande; www.frames-group.com). „Da die PEM-Technologie nur hochreines Wasser verwendet, ist die einzige Verunreinigung Wasser und möglicherweise eine sehr geringe Menge Sauerstoff. Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine KOH-Lösung als Prozessflüssigkeit verwendet, weshalb Spuren von KOH im erzeugten Wasserstoff entfernt werden müssen.“ , sowie."

Abhängig vom Gasfluss und den Reinheitsanforderungen können mehrere Schritte erforderlich sein, um H2 für seine Endanwendungen aufzubereiten. Beispielsweise werden laut Zonneveld in der Regel als erster Schritt Knock-out-Trommeln mit Antibeschlag-Einbauten und optionaler Gaskühlungsausrüstung verwendet, um die Reinheit des Wasserstoffs auf 99,9 % zu bringen. Wenn dann eine höhere Reinheit erforderlich ist, kann eine Molekularsiebeinheit (Abbildung 5) erforderlich sein. Er erwähnt auch, dass die Dehydrierung mit Triethylenglykol – eine gängige Technologie für die Erdgasverarbeitung – Potenzial für die H2-Reinigung gezeigt hat, es jedoch noch keine groß angelegten H2-Anwendungen gegeben hat.

Die Kompression von H2 bringt auch einzigartige Herausforderungen mit sich. „H2 hat eine sehr hohe Energiedichte pro Masse, aber eine sehr geringe Dichte, daher sind Kompressoren nach Elektrolyseuren erforderlich, um das H2 für eine effiziente Lagerung und einen effizienten Transport zu komprimieren“, sagt Stefanie Peters, geschäftsführende Gesellschafterin der Neuman & Esser Group (NEA; Übach). -Palenberg, Deutschland; www.neuman-esser.de). Auch das niedrige Molekulargewicht von H2 wirft Probleme auf. „Turbomaschinen stehen vor erheblichen Problemen beim Einfangen des H2 in der Kompressionskammer, und nur Verdrängermaschinen wie Kolben- und Membrankompressoren sind für eine effiziente Kompression auf die erforderlichen H2-Ausstoßdrücke geeignet“, fügt Peters hinzu. Trockenlaufende Kolbenkompressoren können beispielsweise Förderdrücke bis zu 300 bar erreichen. Bei Ausstattung mit geschmierten Zylindern können die Austrittsdrücke bis zu 700 bar betragen, diese Option führt jedoch zu Spuren von Ölverunreinigungen. Daher sind in Fällen, in denen keine Verunreinigung akzeptabel ist, ölfreie Membrankompressoren die bevorzugte Hochdruckoption Sie können einen Förderdruck von über 5.000 bar erreichen.

Da die Nachfrage nach Elektrolyseuren und grünem H2 weiter wächst, werden technologische Verbesserungen, nicht nur bei den Elektrolyseuren selbst, sondern auch bei der Nachbearbeitung, weiterhin wichtige Bereiche der Forschungs- und Entwicklungsarbeit sein.

„Die Welt hat eine wichtige Chance, das enorme Potenzial von Wasserstoff zu nutzen, um ein entscheidender Teil einer nachhaltigeren und sichereren Energiezukunft zu werden“, heißt es in einer ausführlichen Studie der Internationalen Energieagentur (IEA; Paris, Frankreich; www.iea). .org) anlässlich des Treffens der G20-Energie- und Umweltminister in Karuizawa, Japan, am 15.–16. Juni 2019.

„Sauberer Wasserstoff erhält derzeit starke Unterstützung von Regierungen und Unternehmen auf der ganzen Welt, und die Zahl der politischen Maßnahmen und Projekte nimmt rasch zu“, heißt es in der Studie. Die Studie trägt den Titel „The Future of Hydrogen: Seizing Today's Opportunities“ und wurde vom Exekutivdirektor der IEA, Fatih Birol, und dem japanischen Wirtschafts-, Handels- und Industrieminister Hiroshige Seko ins Leben gerufen. Sie besagt, dass Wasserstoff Möglichkeiten zur Dekarbonisierung einer Reihe von Sektoren bietet, darunter die chemische Herstellung und die Eisenindustrie und Stahlproduktion und kann in Treibstoffe für Autos, Lastwagen, Züge, Schiffe und Flugzeuge umgewandelt werden.

„Die Welt sollte sich diese einmalige Chance nicht entgehen lassen, Wasserstoff zu einem wichtigen Teil unserer sauberen und sicheren Energiezukunft zu machen“, sagt Birol.

Es gibt jedoch Leute, die glauben, dass H2-Brennstoffzellen nie weit verbreitet sein werden, weil sie im Vergleich zu Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) hohe Kosten und einen geringen Wirkungsgrad aufweisen und es zu lange dauern würde, die technischen Probleme zu überwinden damit verbundene Probleme. Dennoch werden weiterhin Anstrengungen unternommen, um die Technologie und Wirtschaftlichkeit einer wasserstoffbasierten Wirtschaft zu verbessern.

Als Kraftstoffsystem für Autos, Busse, Züge usw. wird Wasserstoff in einem Tank im Fahrzeug gespeichert. H2 wird einer Brennstoffzelle zugeführt, die Strom für einen Elektromotor erzeugt, der das Fahrzeug bewegt. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen entstehen bei der Wasserstoffverbrennung kein CO2 oder andere Schadstoffe – nur Wasserdampf. Was ein Kraftstoffsystem für Kraftfahrzeuge betrifft, sind LIBs der Hauptkonkurrent von H2-Brennstoffzellen. Heutzutage verwenden die meisten Elektrofahrzeuge Batterien, die oft auf Li-Ionen- oder Blei-Säure-Chemie basieren. Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt niedrige Ströme und Spannungen und wie LIBs müssen die Zellen gestapelt werden, um die vom Fahrzeug benötigte Zielspannung und den maximalen Strom zu erreichen. Einer der Vorteile von H2 bei der Verwendung in Brennstoffzellen besteht darin, dass sein Energie-Gewichts-Verhältnis (spezifische Energie) viel größer ist als das von LIBs. Die spezifische Energie von LIBs beträgt 0,36 bis 0,875 MJ/kg und die spezifische Energie von Wasserstoff beträgt 120 bis 142 MJ/kg. H2 in Brennstoffzellen ermöglicht somit eine deutlich größere Reichweite bei geringerem Gewicht und kleinerem Volumen. Ein weiterer großer Vorteil von H2-Brennstoffzellen besteht darin, dass sie in wenigen Minuten wieder aufgeladen werden können. Im Gegensatz dazu werden Vollladezeiten für LIB-Elektrofahrzeuge typischerweise in Stunden gemessen. Allerdings bringt H2 auch gravierende Nachteile mit sich. Einer davon ist, dass es sich gut mit anderen Elementen verbindet und daher vor seiner Verwendung als Brennstoff durch teure und energieaufwendige Verfahren isoliert werden muss. Außerdem ist die Speicherung von H2 teuer und energieintensiv, sei es als Gas unter hohem Druck oder noch mehr als Flüssigkeit bei kryogenen Temperaturen. H2, das zudem leicht entzündlich ist, ist schwierig, gefährlich und teuer in der Herstellung, Lagerung und dem Transport. Trotz der Probleme, die H2-Brennstoffzellen mit sich bringen, und trotz der negativen Prognosen einiger Experten laufen zahlreiche Projekte und es werden weltweit erhebliche Summen in Forschung und Entwicklung in H2-Brennstoffzellen investiert. Es gibt bereits viele Fahrzeuge, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden, darunter Autos, Busse und Züge, obwohl sie noch keine breite Marktakzeptanz erreicht haben. Nach Angaben der IEA sind derzeit weltweit etwa 11.200 Autos mit H2-Antrieb auf den Straßen unterwegs. Die ältesten in ausgewählten Märkten im Handel erhältlichen Wasserstoffautos sind: der Toyota Mirai, der Hyundai Nexo und der Honda Clarity. Im Jahr 2013 war das Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug Hyundai Tucson (FCEV) das erste kommerziell in Serie produzierte H2-FCEV der Welt. Die Reichweite betrug fast 600 km. Hyundai Nexo (Abbildung 1) hat es 2018 geschafft. Toyota brachte seinen Mirai Ende 2014 auf den Markt. Er hat eine Reichweite von etwa 500 km und das Auffüllen des H2-Tanks dauert etwa 5 Minuten. Obwohl viele Automobilhersteller Demonstrationsmodelle in begrenzter Anzahl eingeführt haben, sind viele dieser Unternehmen auf batterieelektrische Fahrzeuge umgestiegen. Ende letzten Jahres nahm in Deutschland der weltweit erste mit H2-Brennstoffzellen betriebene Personenzug seinen Betrieb auf (Abbildung 2). Es heißt Coradia iLint und wurde von Alstom (Paris, Frankreich; www. alstom.com) entwickelt. Der Zug erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h.

ABBILDUNG 1. Eines der neuesten wasserstoffbetriebenen Automobile ist der Hyundai Nexo

ABBILDUNG 2. Der weltweit erste wasserstoffbetriebene Personenzug nahm im vergangenen September in Niedersachsen seinen Betrieb auf

ABBILDUNG 3. Basierend auf der im Chloralkalisektor etablierten Technologie kann dieses Wasserelektrolysesystem auf bis zu 10 MW skaliert werden

Derzeit wird fast das gesamte H2 der Welt aus fossilen Rohstoffen in Prozessen bereitgestellt, die CO2 ausstoßen, es sei denn, das CO2 wird angemessen abgeschieden und gespeichert. Die saubere H2-Produktion wird durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind erreicht. Derzeit werden jedoch nur etwa 5 % des weltweiten H2 durch Wasserspaltung hergestellt. Der Prozess innerhalb der Brennstoffzelle ist im Wesentlichen die Umkehrung des elektrolytischen Prozesses zur Herstellung von H2 aus Wasser.

Kürzlich haben die thyssenkrupp AG (Essen, Deutschland; www.thyssenkrupp.com; Abbildung 3) und die Siemens AG (Erlangen, Deutschland; www.siemens.com) neue, großtechnische Elektrolyseure entwickelt, um die Produktion von H2 zu dekarbonisieren (Chem . Eng., Januar 2019, S. 14–17).

Die Elektrolyseure von Siemens waren ursprünglich in der Lage, Kilowatt erneuerbare Energie in sauberes H2 umzuwandeln, und das Unternehmen baut jetzt Geräte in größerem Maßstab. Siemens wird demnächst eine 1,25-MW-Einheit an den Tonsley Innovation District in Südaustralien liefern. Darüber hinaus bietet das Unternehmen eine Einheit an, die auf bis zu 10 MW skalierbar ist, wobei eine weitere Skalierung um eine weitere Größenordnung geplant ist.

Die größte solarbetriebene Anlage für grünen Wasserstoff der Welt ist von Yara Pilbara auf der Burrup-Halbinsel in Westaustralien geplant. Das Unternehmen würde im Raum Boston ein Brennstoffzellen-Mikronetz-Demonstrationsprojekt betreiben. In jüngerer Zeit hat das Unternehmen das angeblich weltweit erste All-in-One-H2-Tankgerät entwickelt.

Im vergangenen Oktober begann ein japanisches Konsortium mit dem Bau des Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R; Chem. Eng., Oktober 2018, S. 10). FH2R wird bis zu 900 Tonnen H2 pro Jahr produzieren (mit erneuerbarer Energie) und speichern. Mithilfe eines neuen Steuerungssystems wird der Gesamtbetrieb des H2-Energiesystems, des Stromnetzsteuerungssystems und des H2-Bedarfsprognosesystems koordiniert, um die H2-Produktion, die H2-basierte Stromerzeugung und die H2-Gasversorgung zu optimieren.

Das System wird H2 zum Ausgleich von Netzlasten verwenden und H2 an Standorte in Tohoku und darüber hinaus liefern und versucht, die Vorteile von H2 als Lösung für den Netzausgleich und als H2-Gasversorgung zu demonstrieren. Komprimiertes H2 wird in Anhängern transportiert und an die Nutzer geliefert.

Das Wasserstoff- und Brennstoffzellenprogramm des US-Energieministeriums (DOE; Washington, DC; www.energy.gov) betreibt Forschung und Entwicklung in den Bereichen H2-Produktion, -Lieferung, -Speicherung und Brennstoffzellen. Seine technischen Ziele sind: aus Biomasse gewonnene Flüssigkeitsreformierung, Elektrolyse, Biomassevergasung, thermochemische Wasserspaltung, photoelektrochemische Wasserspaltung, photobiologische Prozesse und mikrobielle Biomasseumwandlung. Unterdessen wird in einer Wasseraufbereitungsanlage in Sendai, Präfektur Miyagi, Japan, an der Einbindung von H2 in erneuerbare Energiesysteme geforscht. Die Stadt Fukuoka betreibt ein Projekt zur Produktion von H2 mit aus Klärschlamm gewonnenem Biogas. Der erzeugte H2 wird für Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet.

„Kläranlagen im ganzen Land haben das Potenzial, bis zu 1,86 Millionen Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff anzutreiben“, sagt Masaki Tajima, Professor für Umweltenergie an der Tottori-Universität (Stadt Tottori, Japan; www.tottori-u.ac.jp). ).

Ebenfalls in Japan hat Toshiba Corp. (Tokio; www.toshiba.com) seine 100-kW-H2-Rex-Kaskadenbrennstoffzellen für reinen Wasserstoff entwickelt, die die Nutzungsrate von Wasserstoff erhöhen. Die Brennstoffzellen können Strom bei einer Temperatur von 80 °C erzeugen, was viel niedriger ist als die Betriebstemperatur anderer Brennstoffzellentypen, sodass kein Heizprozess erforderlich ist.

Forscher am Centre for Sustainable Chemical Technologies der University of Bath (UK; www.bath.ac.uk) haben eine verbesserte Methode entwickelt, um Sonnenlicht zur Wasserspaltung zu nutzen. Sie verwendeten Perowskit-Solarzellen. Da diese Zellen in Wasser instabil sind, was ihren Einsatz für die direkte Erzeugung sauberer H2-Kraftstoffe einschränkt, verwendeten die Forscher eine wasserdichte Beschichtung aus Graphit. Obwohl Perowskit-Solarzellen eine höhere Spannung erzeugen als Siliziumzellen, reicht die Spannung immer noch nicht aus, um Wasser zu spalten. Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher Katalysatoren hinzu.

Eine weitere Möglichkeit, die H2-Produktion durch Elektrolyse zu steigern, wurde kürzlich von einem Team des Instituts für chemische Forschung Kataloniens (Tarragona, Spanien; www.iciq.org) unter der Leitung von José Ramón Galón-Mascarós entdeckt. Die Forscher erreichten die H2-Produktion bei niedrigen Spannungen, indem sie einfach einen Permanentmagneten an die Anode annäherten, was zu sofortigen Energieeinsparungen führte. Das Team verwendete auch Katalysatoren, die auf auf der Erde vorkommenden Metallen wie Nickel und Eisen basieren. Das Team behauptet, dass es die H2-Produktionseffizienz mithilfe eines Elektrolyseurs um 100 % steigern kann. In einem industriellen Umfeld würde das Team Effizienzsteigerungen von 30 bis 40 % erwarten (Chem. Eng., Juli 2019, S. 12).

Forscher am Indian Institute of Science (Bengaluru, Indien; www.iisc.ac.in) unter der Leitung von Professor Prabeer Barpanda haben einen kostengünstigen Katalysator entwickelt, um die Spaltung von Wasser zur Produktion von H2 zu beschleunigen.

Eine der beiden Hauptreaktionen dieses Prozesses – die Sauerstoffentwicklungsreaktion – ist langsam und schränkt die Gesamteffizienz des Prozesses ein. Die effizientesten Katalysatoren bestehen normalerweise aus teuren Metallen wie Pt und Ru. Die indischen Forscher haben einen Katalysator entwickelt, indem sie Kobaltoxid mit Phosphatsalzen des Natriums (Metaphosphaten) kombinierten. Die Forscher behaupten, dieser Katalysator sei mehr als zweihundertmal günstiger als der aktuelle RuO2-Katalysator auf dem neuesten Stand der Technik und die Reaktionsgeschwindigkeit sei auch schneller.

Um den Katalysator herzustellen, rösteten die Forscher Natriummetaphosphat und Kobaltoxid in einer Argonatmosphäre. Dadurch entsteht eine Schicht aus teilweise verbranntem Kohlenstoff, auf der sich Kristalle aus Kobaltoxid, eingerahmt von Natriummetaphosphat, ausbreiten. Die Metaphosphate bilden ein starkes Gerüst, um die Kobaltoxide intakt zu halten, und weisen eine hohe Stabilität auf. Diese Behandlung ermöglicht es dem Katalysator, seine Aktivität über mehrere Zyklen hinweg beizubehalten.

Ein Team der University of Michigan (Ann Arbor; www.umich.edu) unter der Leitung von Professor Don Siegel hat Wege gefunden, mehr H2 als je zuvor in metallorganische Gerüste (MOFs) zu stopfen und so die Energiedichte zu erhöhen die voraussichtliche Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen.

Das Team erstellte eine Datenbank über MOFs und untersuchte mithilfe von Computersimulationen fast 500.000 MOFs auf diejenigen, die sich am besten für die Speicherung von H2 eignen. Es wurden drei MOFs identifiziert, die bisherige Rekorde für die H2-Speicherung übertreffen würden. Siegel sagt, dass durch die Erhöhung der Menge an H2, die in einem MOF-Adsorbens gespeichert werden kann, der für die Speicherung erforderliche Druck reduziert werden kann und auch die Größe des Tanks verringert werden kann.

Als weitere Möglichkeit zur Speicherung und zum Transport von H2 hat Chiyoda Corp. (Yokohama, Japan; www.chiyodacorp.com) in Zusammenarbeit mit JXTG Nippon Oil & Energy Corp., der Universität Tokio und der Queensland University of Technology den SPERA Hydrogen entwickelt System. Dieses System wird bei Umgebungstemperaturen und -drücken in flüssigem Zustand gehalten und kann daher in vorhandenen Tanks über einen langen Zeitraum gelagert und mit vorhandenen Tankwagen transportiert werden. Das System ist eine Flüssigkeit namens Methylcyclohexan (MCH). Die Herstellung erfolgt nach der Methode des organischen chemischen Hydrids (OCH), bei der Toluol und Wasserstoff katalytisch umgesetzt werden. Das Volumen von MCH ist ein kleiner Bruchteil des Volumens von gasförmigem H2. Obwohl die OCH-Methode unter Verwendung von MCH seit langem bekannt ist, wurde noch kein kommerzieller Katalysator für die Herstellung von H2 aus MCH im Dehydrierungsprozess entwickelt. Chiyoda hat einen Dehydrierungskatalysator entwickelt, der im Labormaßstab über mehr als 10.000 Stunden kontinuierlich eine stabile hohe Leistung liefert. In einem weiteren Ansatz hat ein Team der University of Newcastle (Newcastle-upon-Tyne, Großbritannien; www. ncl.ac.uk) unter der Leitung von Professor Ian Metcalfe den angeblich ersten thermodynamisch reversiblen chemischen Reaktor entwickelt, der dazu in der Lage ist H2 als reinen Produktstrom produzieren.

Der Reaktor vermeidet die Vermischung von Reaktantengasen, indem er Sauerstoff zwischen den Reaktantenströmen über ein Festkörper-Sauerstoffreservoir überträgt. Das Reservoir ist so konzipiert, dass es nahezu im Gleichgewicht mit den reagierenden Gasströmen bleibt, während diese ihrer Reaktionsbahn folgen, und behält somit ein „chemisches Gedächtnis“ der Bedingungen, denen es ausgesetzt war. Das H2 wird somit als reiner Produktstrom erzeugt, wodurch eine kostspielige Trennung der Endprodukte entfällt. „Während die herkömmliche H2-Produktion zwei Reaktoren und eine Trennung erfordert, erledigt unser Reaktor alle Schritte in einer Einheit“, sagt Metcalfe.

Forscher der Pohang University of Science and Technology (Pohang, Südkorea; www.postech.ac.kr) und der Colorado School of Mines (Golden, Colorado; www.mines.edu), unter der Leitung von Kun-Hong Lee und Bo Ram aus Pohang Lee haben ein neues Konzept zur Verbesserung der Wasserstoffspeicherkapazität innerhalb der Struktur eingeführt, die aus Wassermolekülen, sogenannten Gashydraten, besteht. Gashydrate sind eisartige feste Verbindungen, zu denen auch Gas gehört. Das Hauptproblem bei der Speicherung von Wasserstoff in Gashydraten besteht darin, den Energiebedarf zu senken. Die Forscher untersuchten die Metastabilität von Gashydraten, die durch einen stabilen Zustand bestimmt wird, der durch Zugabe einer kleinen Energiemenge verändert werden kann. Es gelang ihnen, die Hydrogenhydrate bei sehr mildem Druck (0,5 bis 1 MPa) stabil zu halten, und sie zeigten eine erhöhte H2-Speicherung in den Hydraten (bis zu 52 % größere Menge).

„Wenn ein geeigneter Prozess entwickelt wird, um das System in diesem metastabilen Zustand mit einer hohen Gaskonzentration festzuhalten, gepaart mit den Vorteilen der Hydrat-Selbsterhaltung, wird ein neues Paradigma für die Gasspeicherung in Clathrathydraten entstehen“, sagt Kun-Hong Lee. Mittlerweile hat das CSIRO (Melbourne, Australien; www.csiro.au) eine Studie zum Thema „Round-Trip-Effizienz von Ammoniak als Transportmedium für erneuerbare Energien“ durchgeführt. Die Studie besagt, dass NH3 eine hervorragende Möglichkeit ist, erneuerbare Energie in H2 umzuwandeln, sie an Standorte mit geringer Intensität erneuerbarer Energien zu transportieren und das NH3 für den lokalen Verbrauch wieder in H2 umzuwandeln. Der Gesamtwirkungsgrad elektrischer Energiespeicher kann laut Studie mehr als 80 % betragen.

Die wachsende Rolle von Wasserstoff für saubere Energie. Elektrolyseur-Technologien für grünen Wasserstoff auf dem Weg zu einer wasserstoffbasierten Wirtschaft. Abkürzung

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