Speicherung und Rückgewinnung von Wasserstoff

Ein Vorteil der Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff ist, dass er einen sehr hohen gravimetrischen Energiegehalt hat, d. h. er kann im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Benzin oder Diesel mehr als doppelt so viel Energie pro Gewicht speichern. Leider hat er aber gleichzeitig eine sehr geringe Dichte. Daher ist sein volumetrischer Energiegehalt im Vergleich zu vielen anderen Energieträgern, wie z. B. Kohlenwasserstoffen, viel geringer (etwa ein Drittel von Erdgas). Das bedeutet, dass für die Speicherung der gleichen Energiemenge mit Wasserstoff ein dreimal so großer Tank oder ein dreimal so hoher Druck wie bei Erdgas nötig ist.

Dies erschwert die Speicherung und den Transport von Wasserstoff, weshalb nicht nur die Herstellung (Elektrolyse), sondern auch die Speicherung von Wasserstoff erhebliche Energiemengen erfordert, z. B. werden ca. 12 % des Energiegehalts des Wasserstoffs für die Verdichtung auf einen Druck von 700 bar oder ca. 20-30 % für die kryogene Verflüssigung (Abkühlung auf -252.882 °C bzw. -423.188 °F) benötigt.

Darüber hinaus kommt es bei der kryogenen Wasserstoffverflüssigung und dem Transport von flüssigem Wasserstoff aufgrund unvermeidlicher Wärmeisolationsverluste zu Verdampfung. Um zu verhindern, dass der Druck in den Tanks zu stark ansteigt, wird das Wasserstoffgas über ein Überdruckventil abgelassen, d.h. beim Transport treten Verluste auf.

Mit dem Wasserstoffhochlauf werden daher bessere und einfacher zu handhabende Wasserstoffträger benötigt.

Eine vielversprechende Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern, ist die Umwandlung in Ammoniak. Ammoniak ist eine Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung und kann ähnlich wie Erdgas in einfachen Druckbehältern bei ca. 8 bar in flüssiger Form gespeichert werden. Im Vergleich zu komprimiertem Wasserstoff weist es sogar eine höhere Energiedichte auf als dieser, und das ohne die bereits erwähnten Probleme bei der Verflüssigung und dem Transport.

Ein großer Vorteil von Ammoniak ist, dass es in großem Maßstab produziert werden kann, da es der Grundstoff für alle Stickstoffverbindungen ist und mit über 200 Millionen Tonnen pro Jahr bereits zu den weltweit am häufigsten produzierten Chemikalien gehört. Daher sind sowohl das Produktions-Know-how als auch die Infrastruktur bereits vorhanden.

Normalerweise wird Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt, bei dem Wasserstoff mit Stickstoff aus der Luft in einer katalytischen Reaktion reagiert. Sofern der Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird, ist der Ammoniak kohlenstoffneutral, da kein Kohlenstoff beteiligt ist. Daher kann Ammoniak als emissionsfreier Energiespeicher in einem zukünftigen emissionsfreien Energiesystem verwendet werden.

Ammoniak kann als direkte Energiequelle (durch einfache Verbrennung) verwendet werden, was den Vorteil hat, dass die bestehende Infrastruktur genutzt werden kann. Wenn dies der Fall ist, muss das Abgas durch  Gasreinigungskatalysatoren oder  Emissionskatalysatoren von gefährlichen Emissionen wie N₂O gereinigt werden.

Die Rückgewinnung des Wasserstoffs aus dem Ammoniak durch "Ammoniakspaltung" oder "Ammoniak-Cracking" ist eine weitere Möglichkeit, bei der das Ammoniak über einen Katalysator geleitet wird, der den Wasserstoff und Stickstoff freisetzt. Der entstehende Wasserstoff kann dann z. B. in einer Brennstoffzelle oder für chemische Anwendungen verwendet werden.

Anders als das oben erwähnte Haber-Bosch-Verfahren, das seit mehr als 100 Jahren angewandt wird, ist das Cracken eine weniger ausgereifte und noch nicht weit verbreitete Technologie. Um Ammoniak als Energiespeicher für die Wasserstoffwirtschaft nutzen zu können, muss ein stabiles und robustes Toolkit zur Verfügung stehen.

Die Ruthenium-Katalysatoren von Heraeus für das Ammoniak-Cracken sind bei niedrigen Temperaturen hochaktiv und tolerieren gleichzeitig dynamische Bedingungen. Sie sind in der Lage, schnell wechselnden Energieanforderungen und dem anschließenden Hoch- und Herunterfahren des Prozesses standzuhalten. Kurz gesagt, sie bieten die notwendigen Eigenschaften, um die Wasserstoffspeicherung mit Ammoniak voranzutreiben.

Für den Prozess der Rückgewinnung und Anwendung bietet Heraeus auch  Oxidationskatalysatoren zur Kontrolle des Wasserstoff Übertritts an. Heraeus bedient auch weitere Prozesse rund um Ammoniak:  Katalytische Netze werden im Ostwald-Prozess zur Herstellung von Salpetersäure und zur Minimierung des als Nebenprodukt entstehenden Treibhausgases N2O eingesetzt. In Verbrennungsmotoren, in denen Ammoniak verwendet wird, sorgen  Emissionskatalysatoren für die Reduktion von N₂O.

Eine Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern, besteht darin, ihn zur Synthese von Methan zu verwenden. Um es in anderen Worten zu sagen: "natürliches" Gas, aber synthetisch hergestellt, nicht aus fossilen Quellen entnommen. Das H₂ wird mit C0₂ verbunden und reagiert zu CH₄ und H₂O. Da es bei seiner Herstellung C0₂ verbraucht, ist es kohlenstoffneutral (zumindest wenn der Wasserstoff durch erneuerbare Energien erzeugt wurde).

Dieses synthetische Erdgas (SNG) ist eine vielversprechende Option zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff, da es die Nutzung der bereits bestehenden Erdgasnetze ermöglicht. Bei dem Power-to-Gas-Konzept wird grüner Wasserstoff mit CO₂ über die Sabatier-Reaktion zu Methan umgesetzt.

HeraPur®-Katalysatoren auf Ruthenium-Basis bieten ein vielseitiges und langlebiges katalytisches Werkzeug für diese Reaktion - hochaktiv und besonders geeignet auch für einen dynamischen Systembetrieb.

Die Anwendungen für die Methanisierung können von sehr CO₂-reichen Abgasen bis zu vorgereinigten Biogaszusammensetzungen reichen.

HeraPur® Ru-Katalysatoren sind auch mit minimalen Edelmetallbeladungen für effiziente und selektive Methanisierungsreaktionen bei der Reinigung von Prozessgasen verfügbar.

Biogas wird durch die anaerobe Vergärung von organischen Rohstoffen erzeugt und enthält in seiner Rohform einen erheblichen Anteil an CO₂ . Um es in der bestehenden Infrastruktur nutzen zu können, muss es in einem Biogasaufbereitungsprozess zu nahezu reinem Biomethan verarbeitet werden.

Neben Katalysatoren für die Sabatier-Reaktion liefert Heraeus auch verschiedene andere katalytische Lösungen für diesen Bereich. Bitte besuchen Sie unsere  Gasreinigungsseite für Katalysatoren zur Methanreinigung, DeOxigenierung oder CO₂-Reinigung bis hin zu Lebensmittelqualität.

Eine weitere Möglichkeit für die Speicherung von Wasserstoff, ist die Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC).

LOHCs sind Flüssigkeiten, die Wasserstoff durch eine chemische Reaktion aufnehmen und wieder abgeben können. Der LOHC kann, auch wenn er mit Wasserstoff beladen ist, einfach bei Umgebungsbedingungen gelagert oder transportiert werden, ganz ähnlich wie Benzin oder Diesel.

Der LOHC wird durch eine Hydrierungsreaktion mit Wasserstoff aufgeladen. Diese chemische Reaktion findet unter erhöhtem Druck und Temperatur und in Gegenwart eines Katalysators statt. Wird der Wasserstoff wieder benötigt oder ist der Träger an seinem Bestimmungsort angekommen, wird der LOHC dehydriert und der Wasserstoff freigesetzt. Auch dieser Prozess erfordert eine erhöhte Temperatur und einen Katalysator. Je nach verwendetem LOHC-Mittel bietet Heraeus maßgeschneiderte Katalysatorlösungen sowohl für den Hydrierungs- als auch für den Dehydrierungsprozess an.

Heterogene Katalysatoren für diese Anwendungen basieren typischerweise auf Platin, Ruthenium oder Palladium, kombiniert mit einem refraktären Metallträger wie Aluminiumoxid. Heraeus stimmt den Katalysator speziell auf das jeweilige LOHC-Molekül und den Prozess ab, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Die Experten von Heraeus beraten Sie gerne über Ihre spezifischen Anforderungen, um genau die richtige Lösung für Ihre LOHC-Anforderungen zu finden.