© Karl-Heinz Tetzlaff

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.

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.

Im idealen Prozess wird bei einer Vergasung die gesamte Energie auf den Wasserstoff übertragen. Eine nahezu 100%-ige Übertragung würde eine solche Anlage aber auf Grund sehr großer Wärmetauscher  teuer machen. In Industriellen Anlagen dürfte das wirtschaftliche Optimum bei ca. 93% 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 108%. Weil in der Anlage selbst also nur 7% der eingebrachten Energie als Wärme frei wird, 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, solange der erzeugte Strom in den haushalten nach EEG verkauft werden kann

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 über 90% des benötigten Sauerstoff mitbringt. Biomasse vergast also deutlich leichter als fossile Energieträger. Andererseits war die Reinigung des staub- und teerhaltigen Synthesegases deutlich aufwändiger. Durch verschiedene Innovationen des Autors konnte das Teerproblem 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 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 sollte CO2 für die nachfossile Zeit als Kohlenstoffreserve im Untergrund speichern.

Wie im obigen Schema zu erkennen ist, entsteht bei einer Vergasungsanlage kein Abgas. Bei Nutzung der Option “CO2-Speicherung”, ist die Herstellung von Wasserstoff sogar vollkommen emissionsfrei. Damit 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 Wasser 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.

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 ca. 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 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 Zellulose 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 in der Regel integraler Bestandteil einer Wasserstoff-Fabrik. Ob mehrere Biogasanlagen im Einzugsgebiet der regionalen Wasserstoff-Fabrik wirtschaftlicher sind, wäre noch zu prüfen.

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 an die tausend Firmen und Institute:

Vergaser-Netzwerk Österreich

Geschichte und Details (IEC Freiberg)

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 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. Aber haupsächlich daran, dass man der Energiewirtschaft die Gestaltung der Gesellschaft überlässt. Die Energiewirtschaft ist natürlich nicht daran interessiert, ihre bisherige Geschäftgrundlage innerhalb weniger Jahre zu verlieren

aktualisiert am 06.04.2009