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Wasserstofferzeugung

Wasserstofferzeugung Abb. 3: Unabhängig davon, welche Methode zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird: Es folgt immer ein Reinigungsprozess, der durch Edelmetallkatalysatoren ermöglicht wird. nannten „Slip“. Deshalb wird der jeweils unerwünschte Bestandteil mit einem spezialisierten Katalysator auf Palladium- oder Platinbasis in Wasser rückgewandelt und so aus dem Strom entfernt. Speicherung, Transport und Rückgewinnung des Wasserstoffs Danach kann der Wasserstoff verwendet werden – sofern er zu diesem Zeitpunkt und vor Ort benötigt wird. Für alle anderen Fälle ist die Speicherung und der effiziente Transport eine Schlüsselfrage für den Hochlauf. Wasserstoff hat einen sehr hohen gravimetrischen Energiegehalt, aber gleichzeitig eine sehr geringe Dichte. Für die Speicherung der gleichen Energiemenge ist mit Wasserstoff ein dreimal so großer Tank oder ein dreimal so hoher Druck wie bei Erdgas nötig. Dies erschwert die Speicherung und den Transport von Wasserstoff und erfordert zusätzliche Energie. Bei der kryogenen Wasserstoffverflüssigung müssen die extrem tiefen Temperaturen zudem ständig beibehalten werden, was beim Transport kaum möglich ist. Damit der Druck nicht zu sehr steigt, wird darum Gas über ein Ventil abgelassen, es entstehen Verluste. Es werden also bessere und einfacher zu handhabende Wasserstoffträger benötigt. Ammoniak als Wasserstoffträger Ammoniak gilt als eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, Wasserstoff zu speichern. Weil auch heute schon über 200 Millionen Tonnen Ammoniak im Jahr produziert werden, gibt es ausgereifte Herstellungsprozesse und viel Erfahrung im Handling. Verflüssigter Ammoniak hat sogar eine höhere Ener giedichte als flüssiger Wasserstoff und wird ähnlich wie Erdgas in einfachen Druckbehältern bei ca. 8 bar aufbewahrt und transportiert. Ammoniak kann als direkte Energiequelle (durch einfache Verbrennung) verwendet werden. Das ist deshalb wichtig, weil es möglich ist, bestehende Verbrenner umzurüsten und wiederzuverwenden. Dabei kommen wieder Edelmetallkatalysatoren ins Spiel, um das Abgas von gefährlichen Emissionen wie N 2 O zu reinigen. Andererseits kann auch der Wasserstoff aus dem Ammoniak wiedergewonnen werden. Bei dem so genannten „Ammoniak-Cracking“ wird das Gas über einen Katalysator geleitet, der Wasserstoff und Stickstoff trennt. Der entstehende Wasserstoff kann dann z. B. in einer Brennstoffzelle oder für chemische Anwendungen verwendet werden. Die Forscher bei Heraeus setzen beim Ammoniak-Cracking auf einen Ruthenium-Katalysator, der schon bei niedrigen Temperaturen hochaktiv ist und gleichzeitig dynamische Bedingungen, also schnell wechselnde Energieanforderungen, toleriert. Herstellung alternativer Kraftstoffe aus Wasserstoff und Verwendungen in der Industrie Eine weitere Möglichkeit für den Ersatz von Kraftstoffen und industriellen Rohstoffen aus fossilen Quellen besteht darin, diese synthetisch herzustellen. Indem man die Rohstoffe CO 2 und Wasserstoff mit einem Kataly sator und genügend Energie zusammenbringt, entsteht zum Beispiel Syngas, also synthetisches Gas. Ebenso werden flüssige Trägerstoffe, die Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC) erforscht, die mit Wasserstoff „aufgeladen“ werden und die Energie so chemisch speichern. Egal, ob es sich um eine „einfache“ Methanisierung handelt oder um die High-Tech-Variante: Immer brauchen diese Reaktionen einen Kataly sator, der sie in Gang bringt und effizient ablaufen lässt. Sehr häufig sind Edelmetalle dabei unverzichtbar oder bringen so große Vorteile für die Effizienz, dass sich ihr Einsatz lohnt. Die Experten bei Heraeus schneidern den Katalysator dabei zielgerichtet auf den jeweiligen Anwendungsfall oder Prozess zu. Verbrauch von Wasserstoff in Brennstoffzellen Bleibt noch die Nutzung der chemisch gespeicherten Energie und ihre Rückumwandlung in elektrische Energie. Genau das geschieht in Brennstoffzellen, in der Wasserstoff in einer kontrollierten Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser umgewandelt wird. Dabei entsteht Strom, der in der Industrie, in Haushalten oder im Transportsektor in Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt wird. Ebenso wie bei der Elektro lyse gibt es für die Brennstoffzelle verschiedene Technologien, die in unterschiedlichen Ausmaß Edelmetalle einsetzen. Bei der PEM (Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelle ist ähnlich wie bei der PEM-Elektrolyse eine dünne Membrane auf beiden Seiten mit Edelmetall beschichtet, in diesem Fall beide Seiten mit Platin. Auf einer Seite befindet sich Sauerstoff, auf der anderen Wasserstoff. Katalysiert durch das Platin entsteht ein Strom, wenn die die positiv geladenen Wasserstoffatome (Protonen) die Membrane durch queren. Recycling von Edelmetallen für nachhaltige Prozesse Edelmetalle erhöhen aufgrund ihres hohen Wertes zwar die Investitions kosten in einen Prozess, sie ermöglichen jedoch auch einen 26 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024

Wasserstofferzeugung effizienteren Betrieb und vor allem in Kombination mit Recycling, eine niedrigere Total Cost of Ownership. Hohe Rückgewinnungsraten machen das Recycling wirtschaftlich rentabel und unterstützen Zirkularität der grünen Technologie von Anfang an. Durch die Rückgewinnung und Wiederverwendung von hochreinen Edelmetallen verringern sich nicht nur die Umweltauswirkungen, sondern wird auch die nachhaltige Versorgung mit wichtigen Ressourcen gesichert. Das in der PEM-Elektrolyse unverzichtbare Iridium, für das wegen des Wasserstoffhochlaufs bald steigende Recyclingkapazitäten benötigt werden, ist dabei jedoch eher herausfordernd im Handling. Dazu kommt, dass die Membranen, die mit Iridium beschichtet sind, Fluor enthalten. Um diese Materialien bearbeiten zu können, braucht es spezielle Anlagen, die die Rückstände aus der Behandlung so nachbearbeiten, dass keine schädlichen Stoffe in die Umwelt gelangen. Der Edelmetallspezialist Heraeus ist heute schon bereit, den Hochlauf der Wasserstoffindustrie durch Recyclingkapazität zu unterstützen. Heraeus hat viele Jahre Erfahrung im Recycling von Iridium und recycelt schon heute große Mengen im Tonnen maßstab des seltenen Metalls pro Jahr. Im Recycling geht es aber nicht allein um die Wiedergewinnung der Edelmetalle. Elektrolyse- und Brennstoffzellen-Stacks enthalten neben den Edelmetallen viele weitere wertvolle Materialien, die sich prinzipiell wiederverwenden und -gewinnen lassen. Neben Komponenten aus Stahl, die nach der Laufzeit eines Stacks möglicherweise direkt ein weiteres Mal eingesetzt werden könnten, steht hier auch die Membrane im Fokus. Dieses spezielle Material ist aufwendig in der Herstellung, weshalb erfolgreich nach Wegen gesucht wird, daraus den Ausgangsstoff für weitere Anwendungen zu gewinnen. Heraeus beschäftigt sich deshalb nicht nur mit dem Recycling des Edelmetalls, sondern mit dem gesamten Stack, angefangen bei der Demontage bis hin zur Gewinnung neuer Rohstoffe aus den einzelnen Komponenten. Somit schließt sich der Kreis der Edelmetalle für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Auch wenn die anfangs fast euphorische Aufbruchsstimmung einem etwas realistischeren Arbeitsmodus gewichen ist, ist der Aufbau in vollem Gange. Edelmetalle sorgen dabei an vielen Stellen für die Effizienz, wobei sie – wie so oft – für den Nutzer verborgen bleiben. Autor: Steffen Kitzing Global Head of Sales Hydrogen Systems Heraeus Precious Metals Besuchen Sie uns auf der Hydrogen Technology Expo! 23.-24.10. | Halle A1 | Stand 1C5 VENTILTECHNIK, SENSORIK & AUTOMATION. Für eine saubere Zukunft mit Wasserstoff. Flüssigkeiten und Gase in der Wasserstofferzeugung smart sowie absolut sicher steuern, regeln, messen? Schon seit über 20 Jahren genau unser Ding. Das praxisbewährte Produkt oder doch die individuell entwickelte Speziallösung? Wir können beides. Skalierungsfähige Prozesskomponenten? Unser Versprechen an Sie. We make ideas flow. www.buerkert.de/wasserstoff