Wichtigste Fertigungsverfahren zur Wasserstofferzeugung

Wir betrachten zwei grundlegende Verfahren der Wasserstofferzeugung: die Erzeugung aus Erdgas sowie die Wasserelektrolyse. 

Wasserstofferzeugung in Industrieanlagen

Wasserstoff ist ein unverzichtbarer Grundstoff für zahlreiche Industriesektoren.

Seine beständige Verfügbarkeit in den erforderlichen Mengen und Reinheitsgraden ist Voraussetzung für einen ununterbrochenen Produktionsbetrieb.

Der Transport von Wasserstoff in Zylindern oder Tankfahrzeugen aus entfernten Erzeugungsstandorten ist nicht kostendeckend und birgt erhebliche logistische Risiken.

Daher errichten große wasserstoffverbrauchende Unternehmen zunehmend eigene Erzeugungsanlagen direkt am Produktionsstandort.

Hauptfertigungsverfahren zur Wasserstofferzeugung

In der Industrie haben sich zwei dominante Verfahren zur Wasserstofferzeugung etabliert. Die Wahl des Verfahrens hängt von wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, der Verfügbarkeit von Rohstoffen sowie den geltenden Umweltanforderungen ab.

1. Dampfreformierung von Erdgas

Dies ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Verfahren, auf das der überwiegende Anteil der globalen Wasserstofferzeugung entfällt.

Wasserstoff wird aus kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffen – in erster Linie Erdgas (Methan, CH₄) – durch Umsetzung mit Wasserdampf gewonnen.

• Aufbereitung: Das Erdgas wird von Schwefelverbindungen gereinigt, die die Katalysatoren vergiften.
• Umwandlung: Das gereinigte Gas-Dampf-Gemisch wird dem Reformer zugeführt. Bei Temperaturen von 800–950 °C und unter Einsatz eines Nickelkatalysators läuft eine endotherme Reaktion ab:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

• Kohlenmonoxid-Umwandlung: Das entstehende Synthesegas (CO und H₂) wird einem Wassergas-Shift-Reaktor zugeführt. Unter Zugabe von zusätzlichem Wasserdampf und einem weiteren Katalysator wird CO zu CO₂ umgesetzt:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Diese Stufe erhöht die Wasserstoffausbeute.

• Aufreinigung: Reiner Wasserstoff wird aus dem Gemisch abgetrennt, das nun überwiegend H₂ und CO₂ enthält.

Das gängigste Verfahren ist die Druckwechsel-Adsorption (DWA).

Das Gasgemisch wird unter Druck durch Adsorber geleitet, die mit Zeolith oder Aktivkohle befüllt sind und Verunreinigungen (CO₂, CO, CH₄) zurückhalten.

Das Ergebnis ist Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,9–99,999 %.

Allgemeine Betrachtungen:

• Eine erhebliche Wärmeeinbringung ist erforderlich für den Reaktor selbst und die Dampferzeugung.
• Ein umfassendes Wärmerückgewinnungssystem (Wärmetauscher, Abgasnutzung) steigert den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.
• Ein Vorreinigungssystem ist für Erdgas zwingend erforderlich.
• CO₂ fällt als Nebenprodukt an; moderne Anlagenkonzepte integrieren Systeme zur CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS), um den CO₂-Fußabdruck zu reduzieren.
• Die Anlage erfordert eine gesicherte Versorgung mit Erdgas, Wasser und elektrischer Energie.

2. Wasserelektrolyse

Bei diesem Verfahren wird Wasser mittels Gleichstrom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

• Aufbereitung: Das Wasser wird einer Tiefenreinigung (Entmineralisierung) unterzogen, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern und die Elektroden zu schützen.
• Elektrolyse: Eine mit Wasser oder Kalilauge (KOH) befüllte Elektrolysezelle wird mit Gleichstrom beaufschlagt. An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff:

2H₂O → 2H₂ + O₂

• Abscheidung und Trocknung: Die Gase werden aus den entsprechenden Kammern abgeführt, gekühlt, und der Wasserstoff wird zusätzlich getrocknet.

Allgemeine Betrachtungen:

• Die Stromgestehungskosten sind ein maßgeblicher wirtschaftlicher Einflussfaktor.
• Die Investitionskosten hängen stark vom gewählten Elektrolysetyp (alkalisch, PEM, Festoxid) ab.
• Hochleistungs-PEM-Elektrolyseure erfordern platinbeschichtete Elektroden und teure Polymermembranen.
• Der Anlagenbetrieb ist gegenüber der SMR deutlich einfacher: keine Hochtemperaturöfen oder Dampfkessel, niedrigerer Druck und ein höherer Automatisierungsgrad.
• Es wird Wasserstoff hoher Reinheit erzeugt; der Sauerstoff als technisches Nebenprodukt kann ebenfalls wirtschaftlich genutzt werden.

Typischer Aufbau von Wasserstofferzeugungsanlagen

Moderne Anlagen bestehen häufig aus vorkonfigurierten und werkseitig getesteten Verfahrensmodulen:

• Rohstoffaufbereitungsanlage: Erdgasreinigung (SMR) oder Wasserentmineralisierung (Elektrolyse).
• Reaktorsystem: Reformer mit Brennkammer (SMR) oder Elektrolyseur-Block (Elektrolyse).
• Produktaufreinigungsanlage: In der Regel eine DWA-Anlage zur Wasserstoffabtrennung.
• Druckluftanlage: Mehrstufige Kompressoren zur Einspeisung des Wasserstoffs ins Anlagennetz mit dem erforderlichen Betriebsdruck.
• Steuerungs- und Automatisierungssystem: Zentrale Überwachung aller verfahrenstechnischer Parameter und Anlagensteuerung von einem einzigen Leitstand.

Rolle des Wasserstoffs in verfahrenstechnischen Prozessen

Wasserstoff erfüllt in industriellen Anlagen mehrere wesentliche Funktionen:

• Hydrierung organischer Moleküle in der chemischen Verfahrenstechnik.
• Einsatz in metallurgischen Prozessen zur Direktreduktion von Eisenerz.
• Schlüsselkomponente bei der Synthese zahlreicher chemischer Verbindungen.
• Erzeugung von Schutzgasatmosphären durch Wasserstoff hoher Reinheit.

Sicherheitstechnische Anforderungen

Wasserstoff ist ein brennbares Gas mit einem weiten Entzündungsbereich in Luft (4–75 %), niedriger Dichte und unsichtbarer Flamme.

Die sicherheitstechnischen Systeme sind darauf ausgelegt, die Bildung explosionsfähiger Gemische zuverlässig zu verhindern:

• Zwangsentlüftung: Unverzichtbar in geschlossenen Räumen und Gebäuden.
• Gaswarnsystem: Wasserstoffsensoren an allen potenziellen Leckagepunkten.
• Inertgasspülung: Alle Leitungen und Behälter sind vor Wartungsarbeiten mit Stickstoff zu spülen.
• Fackelanlage: Notentlastungen werden einer hocheffizienten Fackelanlage zugeführt.