Produktion von blauem Wasserstoff

Der Begriff „blauer Wasserstoff“ bezieht sich auf Wasserstoff, der unter Verwendung von SMR (Dampfreformierung) oder anderen Methoden aus Erdgas oder Kohle hergestellt und vom CO2 getrennt wird. Dabei wird das CO2 durch Abscheidung, Nutzung und Speicherung (CCUS) gebunden, um den Ausstoß von Treibhausgasen in die Umwelt zu reduzieren. Die blaue Farbe kennzeichnet den weitaus saubereren Energiestrom, der aus diesem Verfahren resultiert. Dies ist derzeit kostengünstiger und wirtschaftlicher als vollständig erneuerbarer grüner Wasserstoff.

Blauer Wasserstoff ist nicht nur um mehrere Größenordnungen weniger kohlenstoffintensiv als grauer Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen und ohne CCUS hergestellt wird, sondern die verwendeten Prozesse sind im Vergleich zu den verfügbaren Prozessen zur Herstellung von erneuerbarem Wasserstoff aus Elektrolyse einfacher skalierbar und gut erprobt. Diese Faktoren und die Fülle an Kohlenwasserstoff-Ausgangsstoffen könnten blauem Wasserstoff einen Kostenvorteil auf dem Markt verschaffen, da Verbraucher und Unternehmen, insbesondere im Transportwesen und in der Schwerindustrie, Unsicherheiten bei den kurzfristigen Energiepreisen gegen langfristige Nachhaltigkeitsziele abwägen.

Herkömmliche Methoden zur Wasserstofferzeugung mittels fossiler Brennstoffe und CCUS erfordern Energie, Kapital und Arbeitskräfte für den Betrieb. Dabei wird es wahrscheinlich immer industrielle Prozesse geben, die eine gewisse positive Nettomenge an CO2 emittieren. Die wichtigsten Anliegen der Wasserstoffproduzenten und -anwender von blauem Wasserstoff sind heute Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit. Die Gewährleistung der Reinheit, die präzise Steuerung von Prozesseinheiten, das Erzielen der höchstmöglichen CO2-Abscheidungsraten, die Optimierung der Lagerkapazität und das Management der Energie- und Wartungskosten sind notwendig, um eine stetige Wasserstoffversorgung zu gewährleisten und schnell steigenden Anforderungen gerecht zu werden.

Dampfreformierung, die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas, ist integraler Bestandteil der kommerziellen Produktion von blauem Wasserstoff im industriellen Maßstab. Bei dieser Methode ein chemischer Katalysator mit Dampf unter enormer Temperatur und enormem Druck beaufschlagt, der Wasserstoff vom Ausgangsmaterial trennt und Kohlenstoff an Sauerstoffatome aus Wasser bindet, wobei CO2 als Nebenprodukt gebildet wird. Der Durchsatz und die Effizienz des Prozesses hängen von der Aufrechterhaltung eines optimalen Verhältnisses des dem Reformer zugeführten Dampfes und Kohlenstoffs ab, um den Katalysator vor Verkokung zu schützen und den Energieverbrauch zu optimieren.

CCUS bezieht sich auf verschiedene Technologien zur Reduzierung von Treibhausgasen, die in der Energiewertschöpfungskette zum Einsatz kommen. Im Fall von blauem Wasserstoff sind drei der am häufigsten verwendeten und am besten verstandenen Methoden der Kohlenstoffabscheidung die Vakuumwechseladsorption (VSA), die Druckwechseladsorption (PSA) und die Amin-basierte Adsorption. Während VSA und PSA Erfassungsraten über 90 % erreichen, stehen beide Methoden vor ähnlichen Herausforderungen: Sicherheit, Reinheit und Zuverlässigkeit trotz hoher Zyklusraten gewährleisten und Leckagen verhindern, die eine geringere Erfassungseffizienz verursachen. Bei der Adsorption auf Aminbasis muss ein Kompromiss zwischen dem Energieaufwand für die Regenerierung des chemischen Lösungsmittels, das für die CO2-Abscheidung benötigt wird, und dem Wirkungsgrad des Prozesses selbst geschlossen werden.

Ein wesentliches Verkaufsargument für dekarbonisierten (blauen) Wasserstoff ist, dass die Arten von Automatisierungstechnologien, die zur Kostenreduzierung und Effizienzsteigerung erforderlich sind, bereits vorhanden und relativ kostengünstig sind. Automatisierung kann die Effizienz und Rentabilität von SMR-Einheiten verbessern, indem das Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis mithilfe fortschrittlicher Prozesssteuerungssysteme, Online-Überwachung der Anlagen und Messsystemen für den Massedurchfluss mit höherer Präzision geregelt wird. Durch die kontinuierliche Analyse der chemischen Zusammensetzung kann die Lebensdauer des Katalysators verlängert werden. Dies ist ebenfalls für die Verbesserung der Leistungsmerkmale oben genannter CCUS-Methoden unerlässlich. Bei der Bewertung energiebezogener Leistungskennzahlen erleichtern Energiemanagement-Informationssysteme (EMIS) den Betreibern von wasserstoffbetriebenen Anlagen das Erreichen der optimalen Dampf- und Stromverbrauchsziele ihrer Betriebsabläufe.