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Im Technikum des Rostocker Leibniz-Instituts für Katalyse, LIKAT, beliefert ein Methanol-Dampfreformer im kontinuierlichen Betrieb und unter vergleichsweise milden Temperaturen eine Brennstoffzelle mit hochreinem Wasserstoff. Es ist die erste Demonstrationsanlage im Niedertemperaturbereich für derartige Verfahren, wenig größer als ein Kleiderschrank und damit kompakt genug, um z.B. regionale Räume nach klimaneutralen Konzepten netzunabhängig mit Elektronenergie zu versorgen. Die Anlage entstand im Verbund mit der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg, mit dem Projektentwickler ATI Küste sowie zwei Unternehmen für Automatisierung und Anlagenbau in Sachsen-Anhalt und Berlin.
Mit 800 Stunden kontinuierlicher Laufzeit hat die Anlage ihren Funktionstest bestanden. Nach den Worten des Projektkoordinators, LIKAT-Chemiker Dr. Sebastian Wohlrab, setzt sie mit dem Reformer Methanol und Wasser katalytisch zu Wasserstoff (H2) um, der wiederum auf direktem Wege aufgereinigt wird und so eine angeschlossene Brennstoffzelle befeuert.
Gefördert wurde das Verbundprojekt namens MEGA (MEthanolreformer mit innovativer GAsreinigung) vom Bundesministerium für Wirtschaft. Die Demonstrationsanlage ist Teil eines zukunftsfähigen Konzepts zur klimaneutralen Versorgung vor allem ländlicher Räume mit Elektroenergie. „Und zwar unabhängig sowohl vom Stromnetz als auch von Windaufkommen und Sonnenlicht“, sagt Dr. Henrik Junge, unter dessen Leitung am LIKAT die erforderlichen Katalysatoren entwickelt wurden.
Chemischer Speicher für Wasserstoff
Wasserstoff aus regenerativen Quellen birgt großes Potential für die Energiewende, erweist sich aber nach wie vor als nur eingeschränkt transport- und lagerfähig, wie Wohlrab und Junge erläutern. Alternativ lässt sich H2 chemisch in Methanol speichern, das sich deutlich einfacher als gasförmiger Wasserstoff transportieren und aufbewahren lässt.
„Die Idee unseres Konzeptes ist es, einen Kreislauf zu schließen“, sagt Dr. Junge. Also zum einen den Wasserstoff durch Elektrolyse mittels Strom aus Wind und Sonne zu erzeugen und ihn mit CO2 in Methanol zu speichern. Und zum anderen den Wasserstoff in Zeiten von Windflaute und Dunkelheit wieder aus dem Methanol zurückzugewinnen und in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung zu nutzen. Das nun abgeschlossene Projekt fokussierte sich auf den zweiten Schritt, die Freisetzung hochreinen Wasserstoffs durch Niedertemperatur-Dampfreformierung, und zeig nun die Praxistauglichkeit des Verfahrens.
Nach Auskunft der beiden Chemiker wird demnächst auch das Methanol direkt am LIKAT aus Kohlendioxid hergestellt werden können, um so letztlich den Gesamtkreislauf einer klimaneutralen chemischen Energiespeicherung und -nutzung auf Basis von Wasserstoff zu realisieren. Im Technikum, wenige Meter vom Dampfreformer entfernt, entsteht bereits die neue Anlage für die Methanol-Synthese.
Bi-katalytisches System auf Ruthenium-Basis
Der Methanol-Dampfreformer weist gegenüber herkömmlichen Verfahren einige Vorzüge auf. „Zum einen ist es uns durch ein neues bi-katalytisches System auf Basis von Ruthenium gelungen, die Temperatur im Reaktor unter 150 Grad Celsius zu halten“, sagt Henrik Junge. Üblich sind bisher deutlich höhere Temperaturen.
Die zweite Besonderheit liegt in der hohen Reinheit des produzierten Wasserstoffs. Normalerweise enthält Wasserstoff nach solchen Prozessen störende Anteile von CO2 und Kohlenmonoxid (CO). Vor allem Kohlenmonoxid wirkt sich negativ auf Betrieb und Lebensdauer von Brennstoffzellen aus, wie Dr. Junge erläutert. Für Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die derzeit leistungsfähigsten ihrer Art, dürfe der CO-Gehalt zehn ppm (parts per million) nicht überschreiten. Sebastian Wohlrab: „Unsere Anlage hält die geforderten Parameter durch einen integrierten Adsorber jederzeit ein.“
Beitrag unterschiedlicher Expertisen
Für den erfolgreichen Abschluss dieses Verbundprojekts führte das LIKAT die unterschiedlichsten Expertisen zusammen. Die verwendeten Katalysatoren sind Kernstück des Reformers und wurden überwiegend von einem Doktoranden am Institut, Hendrick Kempf, synthetisiert und optimiert. Verfahrenschemiker an der FAU Erlangen-Nürnberg ertüchtigten den Katalysator für den kontinuierlichen Prozess, indem sie ihn mittels spezieller Technologien in einer flüssigen Phase auf einen festen Träger aufbrachten. In den beiden Reaktorröhren der Anlage stecken nach Angaben von Dr. Junge „sieben Kilogramm Aluminiumoxid, dotiert mit 130 Gramm von unseren Ruthenium-Katalysatoren“.
Die ATI Küste GmbH kombinierte zwei Adsorbermaterialien in einem kompakten Druckwechseladsorber, der den Wasserstoff von CO2 und von CO befreit. Um im weiteren Prozess den CO-Grenzwert nicht zu überschreiten, schlossen die Chemiker einen kleinen Shift-Reaktor als zusätzliches Schutzmodul für die Brennstoffzelle an.
Die Berliner Firma Sigmar Mothes Hochdrucktechnik, HDT, baute wesentliche Teile der Demonstrationsanlage. Die umfangreiche Anlagensteuerung wurde vom Automatisierungsanlagenbauer GESA in Teuchern, Sachsen-Anhalt, entwickelt. Für den Aufbau im LIKAT-Technikum zeichnete Dr. Wohlrab verantwortlich. Unter Dr. Stefan Peters und Dr. Alejandra Carbajal, zwei Mitarbeitern in seinem Bereich, kam die Anlage schließlich ins Laufen. Sie absolvierte Tests nach unterschiedlichen Szenarien, was etwa die Zudosierung von Methanol und Wasser sowie das Temperaturregime betrifft. Ihr Probelauf wurde im Schichtbetrieb überwacht.
Hoffnung für Energiewende
Dr. Junge: „Auf Basis dieser Ergebnisse sind Unternehmen nun in der Lage, unter unserer Assistenz ein zukunftsfähiges Produkt zu entwickeln.“ Abgesehen von gelegentlicher Wartung werde eine solche Anlage selbständig laufen.
„Vor gut fünfzehn Jahren gab es nur eine Handvoll Gruppen, die sich mit solcherart Grundlagen der chemischen Wasserstoffspeicherung für die künftige Energieversorgung befassten.“ Inzwischen würden etliche Labors in der Welt dieses Feld bearbeiten. Auf Konzepten wie diesem lägen weltweit die Hoffnungen für eine klimaneutrale Energieversorgung.
Dr. Sebastian Wohlrab: Sebastian.Wohlrab@catalysis.de,
Dr. Henrik Junge: Henrik.Junge@catalysis.de
Vor der Demonstrationsanlage im LIKAT-Technikum : Dr. Henrik Junge, Dr. Stefan Peters, Dr. Alejandra ...
Source: R. Rachow
Copyright: LIKAT
Technikum (roter Bau linke Bildhälfte) des LIKAT (Gebäudekomplex Bildmitte) auf dem Campus in der Ro ...
Source: Thomas Müller
Copyright: LIKAT
Hat die Demonstrationsanlage aufgebaut: Dr. Stefan Peters Achtung Typo!
Korrektur des Titels der deutschen Version:
Methanol zu Wasserstoff: Demonstrationsanlage für eine netzunabhängige Stromversorgung mittels Dampfreformer
("Methanol" anstatt "ethanol")
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Chemistry, Energy, Environment / ecology
transregional, national
Cooperation agreements, Transfer of Science or Research
German
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