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© Karl-Heinz Tetzlaff

Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse

Über die Herstellung von Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien gibt es bei den führenden Wissenschaftlern und Politikern ganz klare Vorstellungen. Es ist ja auch so einfach: Man nehme grünen Strom und zerlege Wasser mittels Wasser-Elektrolyse und schon hat man Wasserstoff.

Die gleichen Herren sagen dann: Es ist vollkommen unsinnig mittels Strom ein Gas herzustellen aus dem man unter Verlusten wieder Strom machen kann, es sei denn, man hat mehr als 100% grünen Strom oder das Leitungsnetz ist örtlich und zeitlich überfordert. Das, so sagen sie, wird vielleicht in 30-40 Jahren der Fall sein. Bis dahin sollte man grünen Strom direkt verbrauchen. Recht haben sie!

Diese Herren merken leider nicht, dass sie dabei von einem falschen “Weltbild”, nämlich der heutigen Stromwirtschaft, ausgehen. In einer Wasserstoffwelt ist das ganz anders. In einer Wasserstoffwelt macht es keinen Sinn, teuren PV- oder Windstrom herzustellen, denn es besteht schon ein Überschuss an billigem grünem Strom aus Bio-Wasserstoff.

In einer Wasserstoffwelt wird man Biomasse nicht verbrennen, um mittels thermodynamischer Maschinen verlustreich teuren Strom zu erzeugen. Biomasse hat hier einen unmittelbaren Zugang zum Wasserstoff, ohne den Umweg über den Strom. In diesem Fall wird Biomasse nicht verbrannt sondern vergast.

Die Vergasung unterscheidet sich von der Verbrennung nur dadurch, dass die Sauerstoffzufuhr stark gedrosselt wird. Wenn man dann noch etwas Wasser dazu tut, hat man schon eine fast perfekte Wasserstoff-Fabrik.

Im idealen Prozess wird bei einer Vergasung die gesamte Energie auf den Wasserstoff übertragen.  In Industriellen Anlagen dürfte das wirtschaftliche Optimum bei ca. 84% Wasserstoffausbeute liegen (jeweils auf den Heizwert bezogen). Da bei der Verbrennung des Wasserstoffs die Kondensationswärme des gebildeten Wassers frei wird, beträgt die Nutzenergie beim Kunden insgesamt bis zu 99% (84*1,182). Weil in der Wasserstoff-Fabrik selbst also nur wenige % der eingebrachten Energie als Wärme frei werden, ist kaum eine nennenswerte Wärmeauskopplung möglich. Aus diesem Grunde können diese Anlagen auch fernab vom Verbraucher gebaut werden. Daher sollten die Anlagen eine industrielle Größe von einigen 100 MW besitzen. Große Anlagen führen zu niedrigen Energiekosten. Das schleißt nicht aus, dass auch schon “Kleinanlagen” von 50 MW hohe Gewinne erzielen können, egal ob der erzeugte Strom in den Haushalten selbst genutzt oder nach EEG verkauft wird.

Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse sind mehrere verfahrenstechnische Prozess-Stufen unterscheidbar. Das folgende Schema gibt einen groben Überblick.

Kernstück einer Vergasungsanlage ist der Steam-Reformer. Das Wort Steam kommt aus dem Englischen und heißt Dampf. Da früher überwiegend Kohle, Gas und Öl verwendet wurden, musste viel Wasserdampf zugesetzt werden. Bei feuchter Biomasse, z. B. Silage, ist das nicht nötig. Auch Sauerstoff wird nur in geringen Mengen gebraucht, weil Biomasse eine großen Teil des benötigten Sauerstoffs mitbringt. Biomasse vergast also deutlich leichter als fossile Energieträger. Andererseits war die Reinigung des staub- und teerhaltigen Synthesegases deutlich aufwendiger. Durch verschiedene Innovationen des Autors konnte das Teerproblem zudem durch primäre Maßnahmen beseitigt werden. Hat man erst einmal gereinigtes Synthesegas, ist der Rest des Verfahrens von der Stange zu kaufen, denn diese Prozess-Stufen sind fertig optimiert. Die im Schema verwendeten Begriffe haben folgende Bedeutung:

Synthesegas besteht etwa zur Hälfte aus Wasserstoff (H2). Den Rest teilen sich hauptsächlich Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2). Synthesegas ist ein Begriff aus der chemischen Industrie, weil eine Vielzahl von Produkten aus diesem Gas hergestellt werden. Bei der Bevölkerung ist Synthesegas besser als Stadtgas bekannt.

Im Shift-Reaktor wird bei 200-400 °C  Kohlenmonoxid in Wasserstoff umgewandelt (CO+H2O = CO2+H2). Am Ende des Prozesses muss nur noch CO2 und H2 voneinander getrennt werden.

PSA (pressure swing adsoption) heißt zu deutsch Druckwechseladsorptionsanlage. Hier werden die Gase mit Hilfe von Molsieben getrennt. Molsiebe sind poröse keramische “Murmeln”, die sich in zylindrischen Behältern befinden. Die Behälter werden abwechselnd entspannt und dann wieder unter Druck gesetzt. Wasserstoff fließt durch diese Behälterkaskade nahezu ungehindert hindurch. Große Moleküle, wie CO2, werden von den “Murmeln” eingefangen und erst beim Entspannen wieder freigegeben. Da das gesamte Verfahren üblicherweise unter einem Druck von 20-50 bar betrieben wird, steht Wasserstoff am Ausgang auf hohem Druckniveau zur Verfügung und fließt so ohne weitere Verdichtung bis zu den Verbrauchern in die nächste Stadt.

Neben Wasserstoff werden noch zwei andere Wertstoffe produziert. Die Asche enthält sämtliche Mineralien, die mit der Biomasse dem Boden entnommen wurden. Asche ist deshalb ein gut abgestimmter Mineraldünger. Kohlendioxid ist ein ausgezeichneter Rohstoff für die chemische Industrie. Man kann den Prozess auch so steuern, dass Bio-Koks mit der Asche ausgeschleust wird. Biokoks ist, anders als der Kohlenstoff aus dem HTC-Prozess, ein Bodenverbesserer, der als Terra Preta bekannt ist. Dieses Verfahren wurde von den damaligen Hochkulturen des Amazonas-Beckens genutzt. Mit dem Unterflügen des Bio-Kokses macht man den Treibhauseffekt rückgängig.

Wie im obigen Schema zu erkennen ist, entsteht bei einer Vergasungsanlage kein Abgas. Bei Nutzung der Option “CO2-Speicherung” und Terra Preta, kann die globale Erwärmung rückgängig gemacht werden

Die nachstehende Abbildung zeigt den Steam-Reformer etwas anschaulicher. Gezeigt wird ein sogenannter Wirbelschichtreaktor. Die Technologie wird seit Jahrzehnten in großen Kohlekraftwerken benutzt. Die Wirbelschicht besteht gewöhnlich aus Sand, Asche und Zuschlagstoffen.

Wirbelschichtreaktoren sind auch in der chemischen Industrie weit verbreitet. Stets wird ein Körnerhaufen (Sand) von einem Gasstrom aufgewirbelt. Schaut man in einen solchen Reaktor hinein, so hat man den Eindruck als ob Suppe kocht. Eine Wirbelschicht hat eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung und ist gleichzeitig ein Mahlwerk für die eingepresste Biomasse.

Es gibt neben diesen Verfahren eine Vielzahl von innovativen Verfahren, die einem Verfahrensingenieur das Herz höher schlagen lassen. Von dem abgebildeten Wirbelschichtreaktor lassen sich aber leichter technische und ökonomische Daten für eine Wasserstoffwirtschaft gewinnen, weil es große industrielle Vorbilder gibt. Daher werden diese Daten für die Herstellkosten von Bio-Wasserstoff zu Grunde gelegt. Bessere Herstellverfahren werden dann später zu einer weiteren Preissenkung für Bio-Wasserstoff führen. Der Wirbelschichtreaktor ist auch deshalb 1. Wahl, weil hier die Asche nicht aufgeschmolzen wird und somit als Dünger verwendbar ist.

Für den Leser ist wichtig zu wissen, dass das innovative Verfahren inzwischen von der Fraunhofer Gesellschaft UMSICHT positiv begutachtet wurde.

Das nebenstehende Bild zeigt die 8 MW-Vergasungsanlage  für Biomasse mit Wirbelschichtreaktor in Güssing bei Wien. Unter einem Druck von 30 bar hätte die Anlage, bei gleicher Reaktorgröße, eine thermische Leistung von 200 MW

Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse kommt ein großer Teil der Biomasse erntefrisch oder als Silage mit hohem Wassergehalt zum Einsatz. Die nasse Biomasse wird kalt ausgepresst und dabei auf einen Wassergehalt von 40-50% gebracht. Der Presssaft wird dann in einer Biogasanlage fermentiert. Mit diesem Edelfutter läuft die Fermentierung der Presssäfte etwa 10-mal schneller ab als bei Mais oder Gülle. Durch die Verkleinerung der Biogasanlage um ca. 90% und die hohe Energieausbeute des nahezu feststofffreien Presssaftes, arbeitet eine solche Biogasanlage sehr wirtschaftlich. Bei dieser Arbeitsteilung wird die Biogasanlage also von unverdaulichem Ballast befreit. Die unverdauliche Lignozellulose ist aber ein ausgezeichneter Rohstoff für die thermische Vergasung. Das Biogas wird im Steam-Reformer zu Wasserstoff umgewandelt. Durch die Integration der Biogasanlage in die thermische Vergasungsanlage entsteht also ein Synergieeffekt. Deshalb ist eine Biogasanlage oft ein integraler Bestandteil einer Wasserstoff-Fabrik. Ob mehrere Biogasanlagen im Einzugsgebiet der regionalen Wasserstoff-Fabrik wirtschaftlicher sind, wäre noch zu prüfen.

Eine dieser o. g. innovativen Entwicklungen besteht darin, die Biomasse in einem Dampfdruck-Kochtopf zu kochen. Wegen des großen Überangebotes von Wasser wird in einem Schritt fast reiner Wasserstoff erzeugt. Mamas Kochtopf ist dafür aber nicht geeignet, denn zum Gelingen sind ca. 600°C bei ca. 250 bar erforderlich. Das Verfahren befindet sich noch in der Entwicklung. Daten mit denen man die Kosten einer Fabrik abschätzen kann, stehen nicht zur Verfügung.

Ein anderes dieser innovativen Verfahren ist die direkte Herstellung durch Sonnenlicht mit Hilfe von Blaualgen. Die Energie kommt hier vom Licht, ohne die Biomasse (wie bei der Vergasung) zu verbrauchen. Dieses Verfahren sind noch sehr weit von einer technischen Entwicklung entfernt.

Manch ein Leser könnte den Eindruck haben, der Autor sei ziemlich allein auf der Welt mit dem Konzept Wasserstoff aus Biomasse. In wirklichkeit sind es viele.

Vergaser-Netzwerk Österreich

Vergasungsanlage Güssing

Vergasungsanlage Villach

Netzwerk Sachsen

Geschichte und Details (IEC Freiberg)

Eine vergleichde Verfahrensbetrachtung der thermochemischen Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse findet sich auch in einem Gutachten des DBFZ, Leipzig.

Die Bausteine für eine Wasserstoffwelt sind also alle verfügbar. Die Tragik besteht darin, dass die Welt nicht erkennt, dass man den erzeugten Wasserstoff am sinnvollsten dezentral in einer Wasserstoffwirtschaft nutzen sollte. Statt dessen werden die kompliziertesten Stoffe daraus hergestellt, nur damit sie vermeintlich besser in die bestehende Infrastruktur passen. Das liegt natürlich auch an unser Subventionspraxis. Haupsächlich liegt das aber daran, dass man der Energiewirtschaft die Gestaltung der Gesellschaft überlässt. Die Energiewirtschaft ist natürlich nicht daran interessiert, ihre bisherige Geschäftgrundlage durch Unterbietung ihrer Preise innerhalb weniger Jahre zu verlieren.

aktualisiert am 01.09.2013

Eine solare Wasserstoffwirtschaft wird keine Strom-Wasserstoffwirtschaft sein - die wäre unbezahlbar.

Wasserstoff wird durch eine chemische Reaktion  aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern hergestellt.

Schon unsere Ur-Ur-Großväter beherrschten die Industrieelle Herstellung von Wasserstoff durch eine chemische Reaktion. Das sogenannte Stadtgas bestand überwiegend aus Wasserstoff.

Heute werden weltweit jährlich ca. 700 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff  produziert, überwiegend aus Erdgas. Die Veredlung des Synthesegases zu reinem Wasserstoff kann man von diesen Anlagen übernehmen.

Wussten Sie schon, dass man allein mit dem Wasserstoff, den man zur Entschwefelung der Treibstoffe benötigt, eine Flotte von 135 Mio. Brennstoffzellen-Pkw betreiben kann?

Bestehende Biomasse-Vergasungsanlagen sind nicht für Wasserstoff optimiert.

Biogasanlagen sind integraler Bestandteil einer Wasserstoff-Fabrik

Viele innovative Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff befinden sich noch in der Entwicklungs-Pipeline