Wasserstoffherstellung

Einsatz von Wasserstoff

Hydrogen DERZEIT Wird vor Allem in der chemischen Industrie, beispielsweise für herstellung von sterben Stickstoffdünger oder beim Cracken von Kohl Wasser Stoffe in Erdölraffinerien eingesetzt. Bedeutung hat , wenn Zwischenstufe bei Chemischer Elle Verfahren zur herstellung von synthetischer Kraft Stoffen des Gas-to-Liquid (GTL), Coal-to-Liquid (CTL) und Biomass-to-Liquid (BtL), die unter Anderem der Erzeugung einge Eines Wäschegewebe frei chen Synthesegas erfordert . Sterben bedeutung des zunehmenden Erneuerbaren Energien Machen Energiespeichernützlich, um Produktions- und Bedürfnisse aufeinander abzustieren. Eine zur Option Stromspeicherung Könnte die Elektrolyse von Wasser zu den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff (O ₂ ) sein, Welche Gespeichert und später wieder verstromt könnten waren. Im Rahmen einer sogenannten Wasserstoffwirtschaft konnten die beiden auch direkt genutzt werden. This samt PEM / SPE Technik in umgedrehtem Formular Wird zur Gewinnung von molekularem Wasserstoff ^[1] für den Einsatz in der Medizin und die Gesundheitsvorsorge genutzt ^[2]

Herstellungsverfahren

Danach, Wasserstoffherstellungsverfahren erklärt, die „im industriellen Maßstab eingeführt wurde“, wurde nicht Teilweiss noch in der Entwicklung. Unterschieden wurde mit Verfahren, welche sich mit Methoden des Wasserstoffs aus Wasser abspalten.

Verwendung von Kohlenstoffen

Mit der Nutzung von Kohlenwasserstoffen, aber auch Kohle und Biomasse, verehrt der Rohstoff die Prozess-Energie. Auch der Wasserstoff kann teilweise im Rohstoff gebunden sein. Eine Ausnahme ist das Kværner-Verfahren, wobei die benötigte Energie hauptsächlich von außen zugeführt wird.

Dampfreformierung

Bei der Dampfreformierung wird in zwei Prozessschritten Wasserstoff erzeugt. Wenn Rohware verdorben würde: Erdgas, Biomasse, aber auch langkettige Kohlenstoffe aus Erdöl, die etwa die Mittelbenzinfraktion . Dieses Verfahren ist in Anlagen mit Kapazitäten von bis zu 100.000 m³ / h umgesetzt worden.

Im Ersten schreitet waren langkettige Kohlenwasserstoffe in Einem Pre-Reformer unter zugabe von Wasserdampf bei Einer Temperatur von ETWA 450-500 ° C und Einems Druck von ETWA 25-30 bar Methan zu, hydrogen, Kohlenstoffmonoxid Eulen Kohlenstoffdioxid aufgespalten. This Vorstufe vermeidet Eine zu starke Kupfer Kung des Reformerkatalysators. Im Zweiten schreitet Werden im Reformator des Methan bei Einer Temperatur von 800 bis 900 ° C und Einen Druck von ETWA 25-30 An einem Bar Nickel – Katalysator mit wasser zu und Wasserstoff Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Dem zweiten Schritt ist in der Regel eine Raffiningsanlagezur Gasaufbereitung vorgeschaltet, da Katalysatoren äußerst empfindlich auf Schwefel – und Halogenverbindungen , insbesondere Chlor ( Katalysatorgifte ) reagieren.

• Allgemeine Gleichschaltung: {\ displaystyle \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + n \ H_ {2} O \ rechter Pfeil (n + m / 2) \ H_ {2} + n \ CO}}
• Beispiel Methan: {\ displaystyle \ mathmrm {CH_ {4} + H_ {2} O \ rightarrow CO + 3 \ H_ {2}}}; {\ displaystyle \ mathrm {CO + H_ {2} O \ rightarrow CO_ {2} + H_ {2}}}

Durch die unvollständige umsetzung erzeugt Zwischenprodukt Kohlenstoffmonoxid Wird mit Hilfe des anschließend noch Wassergas-Umschalt-Reaktion An einem Eisen (III) -oxidkatalysator zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt. Um im SCHRITT abschließenden Reinstwasserstoff zu erzeugen, Häufig Nutzt man in der Praxis Druckwechsel-Adsorptionsanlagen oder Lauge-Absorptionsgaswäschen , die next to Produkte , die CO, CO ₂ und CH ₄ bis auf einige Wenige ppm herausfiltern.

Das Dampfreformierung ist derzeit die wirtschaftlichste und am weitesten verbreiteten (~ 90%) Methode, Wasserstoff zu erzeugen. Durch sterben verwendung fossil Energieträger Wird dabei aber genauso fiel des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid CO ₂freigesetzt Wie bei Ansatz Verbrennung. Durch verwendung von Biomasse Können die Klimabilanz verbessert waren, da Dann nur das Kohlenstoffdioxid freigesetzt Werde, das zuvor aus Pflanzen der beim Wachstum der Atmosphäre aufgenommen Wird.

Partielle Oxidation

Bei der parti up Oxidation Wird der Rohstoff , die Erdgas oder ein schwerer Kohlenwasserstoff ( Heizöl ) substöchiometrisch – auch unter Sauerstoffmangel – in Einem Exothermen umgesetzt Prozess. Reaktionsprodukte sind vor allem Wasserstoff und Kohlenmonoxid:

• Allgemeine Reaktionsgleichung: {\ Anzeigeart \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + {\ frac {n} {2}} \ O_ {2} \ rechten Pfeil n \ CO + {\ frac {m} {2}} \ H_ {2} }}
• Beispiel: Typischer für die Völle von Heizöl :{\ displaystyle \ mathrm {C_ {12} H_ {24} +6 \ O_ {2} \ rightarrow 12 \ CO + 12 \ H_ {2}}}
• Beispiel: typische Zusammensetzung von Kohle :{\ displaystyle \ mathrm {C_ {24} H_ {12} +12 \ O_ {2} \ rightarrow 24 \ CO + 6 \ H_ {2}}}

Meister Wird noch Wasser zugesetzt, um die als Sowohl extreme Temperaturen Auch sterben Rußbildung in den Griff zu bekommen, sodass man von Einer Autothermalbäder Reformierung mit wenig Wasser sprechen müsste. Die Partielle Oxidationschreit als technische Ausgereifung.

In Kajal reiche länder die China oder Südafrika Kann für of this Elle Verfahren Auch als Ausgangsstoff Kohle genutzt vermischt Wird die zermahlen vorher und mit Wasser zu Einer Suspension waren.

Autotherme Reformierung

Die autotherme Reformierung ist eine Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Dabei kann zB Methanol auch jeder andere Kohlenwasserstoffbeziehungsweise jedes kohlenwasserstoffgemisch (Erdgas, Benzin, Diesel uns) wurden verwöhnt. Beide waren so Elle Verfahren ANALYTICA Kombiniert that der vorteil der Oxidation (bereitstellung von Wärmeenergie) sich mit DM der vorteil Dampfreformierung (Bildende höhere Wasserstoffausbeute) optimierend ergänzt. Dies geschieht durch gezielte Dosierung der Luft- und Wasserdampfzufuhr. An die eingesetzten hier Katalysatoren waren BESONDERS ansprüche Gestellt, da sie mit der Sowohl die Dampfreformierung Wassergas-Umschalt-Reaktion als Auch sterben partielle Oxidation zugunsten Müssen HÖHE.

Gasaufarbeitung

Enthalten das Produkt Teile von CO, so dass die Wasserstoffausbeute nicht verweigert werden konnte. Nach der Reformierung wird das Synthesegas weiter aufgearbeitet. In einer abschließenden Analyse wird Schritt als CO-Konvertierung der Wassergas-Shift-Reaktion zitiert . Gefolgt von gelatinierter Einem Bein fällt erforderliche CO-Fein-Reinigung Profilierung mittels präferentieller Oxidation oder selektive Methanisierung Wird CO chemisch umgesetzt oder DURCH Physikalisch Druckwechsel-Adsorption oder Eine wasserstoffpermeablen Membran Aus einem Palladium – Silber – Legierung (PdAg) abgetrennt. Großtechnischbesteht auch die Möglichkeit, CO ₂und H ₂ S ( Schwefelwasserstoff ) mit Methanol ( Rectisolverfahren ) auswwaschen.

Kværner-Verfahren

Das Unternehmen vom norwegischen Kværner entwickelte Elle Verfahren TRENNEN Kohlenwasserstoffe in Einem Plasma Brenner bei 1600 ° C in Vollständig Aktivkohlen (reine Kohlenstoff) und Wasserstoff.

• Allgemeine Reaktionsgleichung: {\ displaystyle \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + Energie \ rightarrow n \ C + {\ frac {m} {2}} \ H_ {2}}}
• Reaktionsgleichung für Methan: {\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} + Energie \ rightarrow C + 2 \ H_ {2}}}

Ein 1992 in Kanada erarbeiteter Pilotanlage hat einen Wirkungsgrad von ca. 100%, was 48% in Wasserstoff, ca. 40% in Aktivkohle und ca. 10% in Heißdampf übergeht.

Biomasse

Biomassen werden Sie in der Lage sein, Sie mit Kohlenhydraten zu behandeln und in Fällen, die Kohlenwasserstoffe wurden. Eine weitere Option könnte diese anaerobe Fermentation mit Hilfe von Mikroorganismen sein.

Dampfreformierung

Biomassen können zur Herstellung von Kohlenhydraten und anderen wachs- und kohlstoffhaltigen organischen Verbindungen verwendet werden. This can Profilierung mittels allothermer oder autothermer Dampfreformierung umgewandelt wurden molekularen Wasserstoff. Da Biomasse zu ca. 40% aus Sauerstoff besteht, ist das Gas, Fastfood mit etwas Soße, sauerstoff, um diese endotherme Reaktion durchzufuhren. Der Mann verteidigt hierdeutlich höhere Wirkungsgrade als beispielweiß bei der Vergasung von Kohle.

Pyrolyse und Dampfreformierung

In Einem weiteren waren Elle Verfahren Pyrolyse und Dampfreformierung verknüpft. Der erste hier ist, dass Pyrolyse sowohl als Endprodukte Primärgase, Koks und Methanol entstehen. Diese wurden durch eine Lösung von Teilprozess mit Wasserdampf, Methan, Kohlen- stoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid ersetzt. Auch bei diesem Schritt müssen Sie Energie gewonnen haben, und es wird durch Wasserdampfreformierung gewonnen. Dies ist eine sehr anspruchsvolle Variante für alle kleineren Anlagen.

Nach Angaben des dena -Projekts GermanHy kann eine große technische Biomassevergasung eine Option zur Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien. Die Wirkungsgrade des wesentlichen Konversionsverfahrens von Biomasse zu Wasserstoff liegen dabei im Bereich von 30 bis 40 Prozent. ^[3] Derzeit (2014) ist weder eine noch keine kommerzielle Anlagen zur Wasserstoffherstellung. Allerdings STAND die herstellung von Wasserstoff aus Biomasse next to Ansatz direkte energetische nutzung der Biomasse (bspw. Durch Hackschnitzel ) Auch in Konkurrenz zur Biomasseverflüssigung. Das gezeugt so die Nationen flüssige Kraft kühlen HAT Eine Bildende höhere als Energieträger Energiedichte als Wasserstoff und Motoren sind leichter handhabbar. ^[4]

Fermentation

Unter Laborbedingungen konnten Mikroorganismen direkt aus Biomasse gewonnen werden. Wurden hier von Mischkulturen verwöhnt , musste die Wasserstoffproduktion vom letzten Glied der anaeroben Nahrungskette, der Methanproduktion(Methanogenese), gekoppelt werden. Das Freisetzung von molekularem Wasserstoff Durch Mikroorganismen Wird aus der Grunden Reaktionskinetik nur bei sehr niedrigem Wasserstoffpartialdruck den Vorzug geben. DAHER Sie Durch Bioreaktoraufbauund Druck trotz of this -Betrieb Abwesenheit methanogener Mikroorganismen oder sulfatreduzierenden BZW. Wachs- Staub- Repellentien waren sehr selten.

Diese fermentative Wasserstoffproduktion ist energetisch relativ ungünstig. Nach Thauer (1976) wurden auf dem Weg zu einem Maximum von 33% der Verbrennungswärme aus Glucose in Wasserstoff gezeigt. Im Vergleich dazu waren 85% der Energie aus Glukose in Dachs Gärprodukt überführt worden.

Wasserspaltung

Bei der Wasserspaltung dient Wasser als Wasserstofflieferant.

Mit Hilfe von elektrem Strom wurde eine Elektrolyse am Wasser der Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff durchgeführt. Es gab auch chemische Maler, Leute, die Elektrolyse für die Erzeugung anderer Verbindungen hatten, und Wasserstoff als lästiges Produkt.

Für alle Sonnenenergerdse war es indirekt, dass diese beispielsweise für Kohle, Erdöl und Erdgas ist. Aber auch eine mehr oder weniger direkte Nutzung der Sonnenenergie ist möglich. Bei thermochemischen Elle Verfahren zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff Ist sehr hohe Temperaturen Notwendig, stirbt zum beispiel Durch Konzentrierung Sonnenstrahlung Möglich Ist die. Auch biologische Verfahren sind in der Entwicklung, sowohl was die Photosynthese als auch die Wasserspaltung betrifft, waren möglich.

Direkte Nutzung finden, dass Photons des Sonnenlichts bei der Photokatalytischen Wasserspaltung . Die Photonen wurden von Electron-Loch-Paare ausgegraben, und Energie konnte direkt wiedergewonnen werden.

Elektrolyse von Wasser

Diese Form der Umwandlung von Wasser zu Wasserstoff trug 1800 von deutscher Chemiker Johann Wilhelm Ritter nachgewiesen. Die Reaktion findet sich in einer mit leitfähigem Elektrolyten ( Salze , Säuren , Basen ) gefüllten Gefäß statt, in der Zwischenzeit Elektroden der Knochen, die von Gleichstrom betroffen waren. Der Herstellungsprozess läuft in zwei Teilaktionen ab:

• Kathode: {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} O + 2e ^ {-} \ rightarrow H_ {2} +2 \ OH ^ {-}}}
• Anode: {\ Anzeigeart \ mathrm {\ quad 2 \ H_ {2} O \ qquad \ quad \, \, \ rechten Pfeil O- {2} + 4 \ H ^ {+} + 4 \ E ^ {-}}}

An der Anode wurde in dem Prinzip „Elektrolyten abgetragen und von der Kathode ^„ beschnitten . In der Gesamtreaktion enten aus Wasser auch molekularer Wasserstoff und molekularer Sauerstoff:

• Gesamtreaktion {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} O \ rightarrow 2 \ H_ {2} + O_ {2}}}

Das Verfahren ergo energetisiert nur einen Sinn, wenn auch der erzeugte Sauerstoff verdorben wurde und konnte mit der Luft abgegegeben werden. Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt tatsächlich bei 70%. Mehrere Anlagenhersteller (B. Electrolyser Corp., Brown Boveri, Lurgi, De Nora, Epoch Energy Technology Corp.) Rote Bete Elektrolysegeräte mit einem noch höheren Wirkungsgrad – über 80% – an. Wissenschaftler des MIT haben einen Katalysator entwickelt, der die Elektrolyse von Wasser auf nahezu 100% steigert. ^[6]

Ein Verfahrenstyp ist sterben alkalische Elektrolyse , welche Wege der niedrigen Strompreise von Wasser Kraft Arbeiten als Energielieferanten vor Allem in Norwegen und Wird genutzt Insel.

Ansonsten war sowohl die Nutzung von fossilen Energieträgern am Elektrolyse-Standort CO ₂ freigesetzt. Stirbt Schreie, aber nur, wenn der verwendete Strom nicht aus fossilen Energieträgern hergestellt wurde. Im Falle des Wurgungsgrades der izze- rer Rückverstromung beträgt der Wirkungs grad derzeit (2013) maximal 43%. ^[7] Sterner et al geben Wirkungsgrade zwischen 34 und 44% an. ^[8] Es wird dabei ausgegangen, dass perspektivisch elektrische Gesamtwirungsgrade bis maximal 49 bis 55% berücksichtigt wurden. ^[9]

Chloralkali-Elektrolyse

Bei der Chloralkali-Elektrolyse entsteht Wasserstoff ebenso wie bei Nebenprodukte. In erster Linie die Gewin- nung von Natron und Kalilauge aus Lösungen von Chloriden (siehe B. Kochsalz (NaCl)). An den zwei Elektroden finden diese Reaktionen statt:

• Kathode {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} O + 2 \ e ^ {-} \ rightarrow H_ {2} +2 \ OH ^ {-}}}
• Anode {\ displaystyle \ mathrm {2 \ NaCl_ {aq} \ rightarrow Cl_ {2} +2 \ e ^ {-} + 2 \ Na ^ {+}}}

Das Elle Verfahren Wird seit Jahrzehnten großtechnisch angewendet. Es ist dort Wirtschaftlich Sinnvoll, ein Vorspiel eine Laugener (geliert und Beine fällt Chlor) Besteht, aber lohnt sich allein zum Zweck der Wasserstoffherstellung niece bedarf.

Thermochemisches Verfahren

Thermische Dissoziation

Die thermische Dissoziation bezeichnet den Zerfall von Molekülen in seinen einzelnen Atomen durch Wärmeeinwirkung. Für die direkte Spaltung von Wasserdampf bei Wasserstoff und Sauerstoff steht eine Temperatur von 1.700 ° C zur Verfügung. Dies wird zum Beispiel in Solaröfen geschildert . Die sich daraus ergebenden Gase können mit keramischen Membranen gerippt werden. Diese Membranen sind für Wasserstoff, jedoch nicht für Sauerstoff durchlässig. Das Problem ist, dass sehr hohe Temperaturen auftrete und nur kurz, hitzebeständige Materialien in Frage stellen. Aus diesem Grund ist dieses Verfahren weder vor noch nicht-konkurrenzfähig.

Thermochemisches Verfahren

Eine der Temperatur der thermischen Faktor kann Wasserspaltung auf 900 ° C unter Kann über Gekoppelte chemischen Reaktionen waren erreicht. BEREITS in der 1970er jahren gerechnet wird für Einkopplung der Wärme von sterben Hochtemperaturreaktoren verschiedene thermo Schichten Kreisprozessen fect esch, sterben zum Teil Auch für sterben NUTZUNG konzentrierte Solarstrahlung geeignet Ist. Die Höchste Systemwirkungsgrad Eulen Der größte Potenzial für verbesserungen Weisen aus heutiger Sicht einer verbesserten Schwefelsäure-Iod-Prozess auf: Iod (I) und Schwefeldioxid (SO ₂ ) reagiert bei 120 ° C Wasser zu Iodwasserstoff MIT (HALLO) und Schwefelsäure (H ₂ SO ₄). Nach der Abtrennung der Schwefelsäure Reaktionsprodukte Wurden bei 850 ° C in Sauerstoff und Schwefeldioxid gespalten, aus Iodwasserstoff entsteht bei 300 ° C Wasserstoff und dem Ausgangsprodukt Iod. Die Hohe thermische Wirkungsgrad von thermochemischen Kreisprozessen (bis zu 50%) , die heute noch Muß weitgehend ungelöstes Material und Farbe ahrens technischen Schwierigkeiten gegenübergestellt waren.

Metalloxid-Verfahren

Viele Metalloxide spitzt bei sehr hohen Temperaturen zu, spricht auf die Bewässerung Temperaturen mit Wasser unter Rückgewinnung des Oxids unter Bildung von Wasserstoff. Mehr als 300 Varianten dieser thermochemischen Prozesse sind. Einige Beispiele dafür sind das Zink-Zinkoxid-Verfahren oder das Cer (IV) -Oxid-Cer (III) -Oxid-Verfahren , die technologisch weit verbreitet sind (siehe auch Hydrosol-Projekt ):

Beispiel (M: Metall; M (II): Metall der Oxidationsstufe II; O: Sauerstoff; H: Wasserstoff):

Spaltschritt: M (II) O _reduiert + H ₂ O → M (IV) O _{2 oxidiert} + H ₂

Regenerationsschritt: M (IV) O _{2 oxidiert} → M (II) O _reduiert + 1/2 O ₂

Photokatalytische Wasserspaltung

Diejenigen Foto Catalysis Benutzt das Sonnenlicht and a Katalysator , um Wasserstoff herzustellen. Der vorteil der Gegenüber Photokatalyse andere , die Techniken von Elektrolysen Besteht Darin that Ladungstrennung und Spaltung von Wäschern von Einem Werkstoff an der same Grenzfläche durchgeführt waren Kann, Wodurch Übertragungsverluste mini Miert can und Material waren Gespart Kann waren.

Photobiologische Restauration

Sowohl die photobiologische als auch die Wiederherstellung des Wasserstoffes kann genau wie das Sonnenlicht als Energiequelle genutzt werden. Die anvertrauten Katalysatoren waren dabei von Lebeenden Organismen. Bakterien müssen dazu in Wasserstoffbioreaktoren werden. Durch Beeinflussung der Photosynthese wird die Energie nicht in Biomasse verdorben, sondern in Wasserstoff und Sauerstoff verdorben. Dieses Verfahren könnte CO ₂ -neutral bzw. CO ₂ -neutral sein. wenig CO ₂ -neutrales Signal. Dies ist die Umsetzung jedes Jahr nicht ökonomisch möglich. ^[10]

Siehe auch

• Hydrosol-Projekt
• Wasserstoff-Challenger
• Liste der Wasserstofftechnologien
• Solarchemie # Solarthermische Wasserstoffproduktion
• Wasserspeicher

Weblinks

• Brenngaserzeugung für Brennstoffzellen ( Memento vom 16. Oktober 2006 im Internetarchiv ) beim Forschungszentrum Jülich
• Wasserstoff-Wasserstoff-Batterien (ArBAS) , Projektseite der TU-Berlin
• Hydrogeit – Wasserstoffherstellung
• Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050? Studie in Rahmen des Projekts GermanHy der Deutschen Energie-Agentur (dena), Stand August 2009, als 62 seitiges PDF

Einzelstunden

1. Hochspringen↑ Einführung in Wasserstoff. Abgerufen am 28. Februar 2017 .
2. Hochspringen↑ Wasserstoff. Abgerufen am 28. Februar 2017 .
3. Hochspringen↑ dena: Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050? (Abschlussbericht) , abgelaufen am 25. September 2014
4. Hochspringen↑ Ulf Bossel, Theorie und Praxis, April 2006: Wasserstoff löste keine Energieproblematik , ausgelöst am 24. September 2014
5. Hochspringen↑ [1] , An der Anode wurden Prinzen von der Kathode und von der Kathode abonniert.
6. Hochspringen↑ MIT fordert 24/7 Solarstrom , ab 31. Juli 2008, am 19. Oktober 2011 abgeraufen
7. Hochspringen↑ Volker Quaschning , Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation . 8. Aktualisierte Auflage. München 2013, S. 373.
8. Hochspringen↑ Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes S. 18 . Fraunhofer IWES . Abgerufen am 14. November 2014.
9. Hochspringen↑ Dan Gao, Dongfang Jiang, Pei Liu, Zheng Li, Sangao Hu, Hong Xu, Ein integriertes Energiespeichersystem basierend auf Wasserstoffspeicherung: Prozesskonfiguration und Fallstudien mit Windenergie . Energie 66 (2014) 332-341 doi : 10.1016 / j.energy.2014.01.095 .
10. Hochspringen↑ Botschaft des Umweltbundesamtes zur Nutzung von Mikroalgen ( Memento vom 30. September 2007 im Internetarchiv ), letzte Aktualisierung am 16. März 2009, abgelaufen am 30. März 2010