Methanol zu Wasserstoff Demonstrationsanlage: Netzunabhängige Stromversorgung mittels Dampfreformer

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Eine kompakte Anlage, kaum größer als ein Kleiderschrank, produziert in Rostock hochreinen Wasserstoff aus Methanol – kontinuierlich, effizient und bei unter 150 °C. Forschende des Leibniz-Instituts für Katalyse zeigen mit ihrem neuen Dampfreformer erstmals im Niedertemperaturbereich, wie netzunabhängige, klimaneutrale Energieversorgung in der Praxis funktionieren kann.

Im Technikum des Rostocker Leibniz-Instituts für Katalyse, Likat, beliefert ein Methanol-Dampfreformer im kontinuierlichen Betrieb und unter vergleichsweise milden Temperaturen eine Brennstoffzelle mit hochreinem Wasserstoff. Es ist die erste Demonstrationsanlage im Niedertemperaturbereich für derartige Verfahren, wenig größer als ein Kleiderschrank und damit kompakt genug, um z.B. regionale Räume nach klimaneutralen Konzepten netzunabhängig mit Elektronenergie zu versorgen. Die Anlage entstand im Verbund mit der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg, mit dem Projektentwickler ATI Küste sowie zwei Unternehmen für Automatisierung und Anlagenbau in Sachsen-Anhalt und Berlin.

Mit 800 Stunden kontinuierlicher Laufzeit hat die Anlage ihren Funktionstest bestanden. Nach den Worten des Projektkoordinators, Likat-Chemiker Dr. Sebastian Wohlrab, setzt sie mit dem Reformer Methanol und Wasser katalytisch zu Wasserstoff um, der wiederum auf direktem Wege aufgereinigt wird und so eine angeschlossene Brennstoffzelle befeuert.

Gefördert wurde das Verbundprojekt namens Mega (Methanolreformer mit innovativer Gasreinigung) vom Bundesministerium für Wirtschaft. Die Demonstrationsanlage ist Teil eines zukunftsfähigen Konzepts zur klimaneutralen Versorgung vor allem ländlicher Räume mit Elektroenergie. „Und zwar unabhängig sowohl vom Stromnetz als auch von Windaufkommen und Sonnenlicht“, sagt Dr. Henrik Junge, unter dessen Leitung am Likat die erforderlichen Katalysatoren entwickelt wurden.

Chemischer Speicher für Wasserstoff

Wasserstoff aus regenerativen Quellen birgt großes Potential für die Energiewende, erweist sich aber nach wie vor als nur eingeschränkt transport- und lagerfähig, wie Wohlrab und Junge erläutern. Alternativ lässt sich H₂ chemisch in Methanol speichern, das sich deutlich einfacher als gasförmiger Wasserstoff transportieren und aufbewahren lässt.

„Die Idee unseres Konzeptes ist es, einen Kreislauf zu schließen“, sagt Dr. Junge. Also zum einen den Wasserstoff durch Elektrolyse mittels Strom aus Wind und Sonne zu erzeugen und ihn mit CO₂ in Methanol zu speichern. Und zum anderen den Wasserstoff in Zeiten von Windflaute und Dunkelheit wieder aus dem Methanol zurückzugewinnen und in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung zu nutzen. Das nun abgeschlossene Projekt fokussierte sich auf den zweiten Schritt, die Freisetzung hochreinen Wasserstoffs durch Niedertemperatur-Dampfreformierung, und zeig nun die Praxistauglichkeit des Verfahrens.

Klimafreundlicher Rohstoff

Klimafreundliches Methanol: Neue Technologie macht Produktion einfacher und effizienter

Nach Auskunft der beiden Chemiker wird demnächst auch das Methanol direkt am Likat aus Kohlendioxid hergestellt werden können, um so letztlich den Gesamtkreislauf einer klimaneutralen chemischen Energiespeicherung und -nutzung auf Basis von Wasserstoff zu realisieren. Im Technikum, wenige Meter vom Dampfreformer entfernt, entsteht bereits die neue Anlage für die Methanol-Synthese.

Bi-katalytisches System auf Ruthenium-Basis

Der Methanol-Dampfreformer weist gegenüber herkömmlichen Verfahren einige Vorzüge auf. „Zum einen ist es uns durch ein neues bi-katalytisches System auf Basis von Ruthenium gelungen, die Temperatur im Reaktor unter 150 °C zu halten“, sagt Henrik Junge. Üblich sind bisher deutlich höhere Temperaturen.

Die zweite Besonderheit liegt in der hohen Reinheit des produzierten Wasserstoffs. Normalerweise enthält Wasserstoff nach solchen Prozessen störende Anteile von CO₂ und Kohlenmonoxid (CO). Vor allem Kohlenmonoxid wirkt sich negativ auf Betrieb und Lebensdauer von Brennstoffzellen aus, wie Dr. Junge erläutert. Für Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die derzeit leistungsfähigsten ihrer Art, dürfe der CO-Gehalt zehn ppm (parts per million) nicht überschreiten. Sebastian Wohlrab: „Unsere Anlage hält die geforderten Parameter durch einen integrierten Adsorber jederzeit ein.“

Beitrag unterschiedlicher Expertisen

Für den erfolgreichen Abschluss dieses Verbundprojekts führte das Likat die unterschiedlichsten Expertisen zusammen. Die verwendeten Katalysatoren sind Kernstück des Reformers und wurden überwiegend von einem Doktoranden am Institut, Hendrick Kempf, synthetisiert und optimiert. Verfahrenschemiker an der FAU Erlangen-Nürnberg ertüchtigten den Katalysator für den kontinuierlichen Prozess, indem sie ihn mittels spezieller Technologien in einer flüssigen Phase auf einen festen Träger aufbrachten. In den beiden Reaktorröhren der Anlage stecken nach Angaben von Dr. Junge „sieben Kilogramm Aluminiumoxid, dotiert mit 130 Gramm von unseren Ruthenium-Katalysatoren“.

ATI Küste kombinierte zwei Adsorbermaterialien in einem kompakten Druckwechseladsorber, der den Wasserstoff von CO₂ und von CO befreit. Um im weiteren Prozess den CO-Grenzwert nicht zu überschreiten, schlossen die Chemiker einen kleinen Shift-Reaktor als zusätzliches Schutzmodul für die Brennstoffzelle an.

Die Berliner Firma Sigmar Mothes Hochdrucktechnik, HDT, baute wesentliche Teile der Demonstrationsanlage. Die umfangreiche Anlagensteuerung wurde vom Automatisierungsanlagenbauer Gesa in Teuchern, Sachsen-Anhalt, entwickelt. Für den Aufbau im Likat-Technikum zeichnete Dr. Wohlrab verantwortlich. Unter Dr. Stefan Peters und Dr. Alejandra Carbajal, zwei Mitarbeitern in seinem Bereich, kam die Anlage schließlich ins Laufen. Sie absolvierte Tests nach unterschiedlichen Szenarien, was etwa die Zudosierung von Methanol und Wasser sowie das Temperaturregime betrifft. Ihr Probelauf wurde im Schichtbetrieb überwacht.

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