Fossiler Wasserstoff

Effizienz und Preisvorteil sind nicht in erster Linie an Wasserstoff aus Biomasse gebunden. Auf der Seite Energieeffizienz wurde Biomasse zur Herstellung von Wasserstoff bevorzugt. Hier soll es um Wasserstoff aus fossilen Energieträgern gehen, zunächst um Erdgas.

Herstellung von Wasserstoff aus Methan

Die Effizienz von Wasserstoff aus Biomasse und Wasserstoff aus Erdgas ist etwa gleich hoch.

Mittels thermochemischer Vergasung kann aus allen kohlenstoffhaltigen Energieträgern Wasserstoff hergestellt werden, also auch aus Erdgas. Erdgas besitzt, ähnlich wie Biomasse, einen Brennwert, der dem 1,09-fachen des Heizwertes entspricht. Da technische Prozesse immer verlustbehaftet sind, kann maximal eine Nutzenergie von 107% (bezogen auf den Heizwert) genutzt werden. Ein kleiner Teil davon fällt an der Vergasungsanlage an. Da heute derartige Anlagen überwiegend an Standorten der chemischen Industrie zu finden sind, die einen großen Wärmebedarf haben, wird 20%-40% der eingesetzten Energie zur Wärmeversorgung genutzt.

Thermochemische Vergasung

Der weitaus größte Teil des Wasserstoffs wird heute durch thermochemischer Vergasung fossiler Energieträger gewonnen. Weltweit werden so ca. 500 Mrd. m3/a Wasserstoff produziert. Wasserstoff sichert heute das Überleben der Menschheit, den ohne Stickstoffdünger (NH3) wäre der größte Teil von uns schon verhungert. Mehr als 40% des erzeugten Wasserstoffs wird in petrochemischen Anlagen zur Entschwefelung von Heiz- und Treibstoffen verbraucht. Der meiste Wasserstoff wird heute aus Erdgas und Erdöl gewonnen. Die Herstellung aus Kohle wird heute nur noch zur Erlangung von Autarkie genutzt. Die thermochemische Vergasung von Biomasse befindet sich noch am Anfang der industriellen Entwicklung. Bei ausgeführten Anlagen wird meistens das Rohgas (Synthesegas) direkt in Gasmotoren verstromt. Der erste Schritt ist immer die Herstellung von Synthesegas. das soll am Beispiel von Methan (Erdgas) qualitativ erläutert werden:

Die Brutto-Gleichung zur Herstellung von Wasserstoff aus Methan lautet:

CH4 + 2 H2O = CO2 + 4 H2

Typische Reaktionsbedingungen zur Herstellung des Zwischenproduktes Synthesegas sind 850°C bei 25 -40 bar. In vielen Fällen wird das Synthesegas direkt für weitere chemische Synthesen genutzt, denn aus Synthesegas lässt sich fast die ganze Palette der Chemieprodukte herstellen. Die Herstellung von Wasserstoff ist die einfachste Synthese.

Quelle: Linde

Das Bild zeigt eine industrielle Vergasungsanlage für Erdgas. Im linken Bildteil befinden sich die Reaktoren. Im rechten Bildteil stehen zwei Reihen Zylinder (PSA-Anlage) mit je einem vorgelagerten Drucktank für unterschiedliche Reinigungsaufgaben.

Diese Anlagen sind technisch ausgereift. Man kann sie “von der Stange” kaufen.

 

Eine Wasserstoffwirtschaft wird wohl nicht ohne die Herstellung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern beginnen. Das nebenstehende Bild zeigt einen Erdgasreformer nach dem Stand der Technik. Mit einem innovativen Verfahren der H2-Patent GmbH lässt sich das Bauvolumen solcher Erdgas-Reformer auf einen Bruchteil “schrumpfen”, die Investitionskosten auch.

Gesamteffizienz einer Wasserstoffwirtschaft mit 70% Erdgas und 30% EE-Strom

Formal besteht also kein Unterschied, ob der Wasserstoff aus Biomasse oder aus Erdgas hergestellt wird. Der kleine Unterschied besteht darin, dass die Primärenergie Erdgas mit 3,5-4 ct/kWh fas doppelt so teuer ist als die Primärenergie Biomasse. Das wird nur zum Teil dadurch ausgeglichen, dass die Vergasungsanlage für Erdgas billiger ist als eine Vergasungsanlage für Biomasse. Da es beim Erdgas kein Ascheproblem und kein Teerproblem gibt, lassen sich Erdgasvergaser beliebig skalieren.

Bemerkenswert ist, dass die erforderliche Erdgasmenge mit 2,5 EJ ziemlich genau dem heutigen Verbrauch von Erdgas in Höhe von 2,8 EJ entspricht. Die im Innland geförderte Menge von 0,4 EJ ist fast vernachlässigbar. Deutschland könnte also seinen gesamten Energiebedarf allein aus Erdgas und EE-Strom bestreiten. Die Einfuhr von Kohle und Öl könnte  entfallen.  Drei Probleme aber bleiben, die man mit Biomasse als Input nicht hat:

  • Die CO2-Emissionen werden “nur” um 85% gesenkt.
  • Die Importabhängikeit von Erdgas bleibt bestehen.
  • Die Preise fossiler Energieträger werden steigen (aus dem historischen Grenzübergangspreis der letzten 15 Jahre lässt sich ein Preisanstieg von 10%/a ableiten)

Die geringfügig höheren Energiekosten im Vergleich zu Biomasse lassen sich verschmerzen. Das Energieziel der Bundesregierung hinsichtlich der CO2-Reduktion für Strom in Höhe von 80% werden mit diesem fossilen Wasserstoff deutlich übertroffen. Die hier dargestellte Reduktion von 85% gilt für die gesamte Energiewirtschaft - nicht nur für Strom.

Technisch und politisch wäre ein Mix aus fossilen Energieträgern und Biomasse leichter umsetzbar. Für den Beginn einer Wasserstoffwirtschaft wäre ein Start mit Erdgas sinnvoll, denn alles was zur Installation einer Wasserstoffwirtschaft benötigt wird, ist technisch ausgereift und “von der Stange” zu kaufen. Auch der Verkehr würde davon profitieren, weil es dann einen Massenmarkt für Brennstoffzellen gäbe.

 

Fazit

Eine Wasserstoffwirtschaft ist für alle Arten von Energie und Energieträger ökonomisch und ökologisch sehr attraktiv. Nachhaltig niedrige Energiepreise können langfristig aber nur mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energien erzielt werden.

aktualisiert: 05.07.2014

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