Forscher entwerfen einen Keramikmembranreaktor zur Wasserstoffproduktion

Forscher von CoorsTek Membrane Sciences, der Universität Oslo und dem Instituto de Tecnologica Quimica in Valencia, Spanien, haben bei der Entwicklung einer Keramikmembranreaktortechnologie zur Verbesserung der Wasserstoffproduktion zusammengearbeitet. Mit dieser Technologie ist es den Forschern gelungen, eine Methode zu entwickeln, um sowohl die Wasserstoffproduktion als auch die CO2-Abscheidung in einem einzigen Schritt zu erreichen. Dadurch wird die Methode deutlich energieeffizienter.

„Derzeit etablierte Methoden haben Energieeffizienzwerte zwischen 70 % und 75 %, aber unser Ansatz hat einen potenziellen Wirkungsgrad von 90 %“, erklärte Harald Malerød-Fjeld von CoorsTek Membrane Sciences in Oslo. „Das Endprodukt ist komprimierter Wasserstoff mit einem hohen Reinheitsgrad. Der Keramikmembranreaktor trennt außerdem Kohlendioxid effizienter ab, sodass das Treibhausgas einfacher transportiert und abgeschieden werden kann.“

Vor fünf Jahren war es dem Forscherteam gerade gelungen, die Grundprinzipien der Wasserstofferzeugung mit einem neuen und äußerst energieeffizienten Ansatz aufzuzeigen. Ein aktueller Artikel in Science hat nun bestätigt, dass die Methode funktioniert, und das Team arbeitet nun daran, die Technologie zu erweitern.

„Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, Wasserstoff als Kraftstoff weitaus praktischer zu machen“, kommentierte Malerød-Fjeld. „Außerdem hat das Verfahren einen geringen CO2-Fußabdruck.“

CoorsTek Membrane Sciences ist auf die Herstellung keramischer Materialien zur Energieumwandlung spezialisiert und gehört zusammen mit SINTEF zu den Forschungspartnern in diesem Projekt.

Die Forschung wird in den Einrichtungen und Labors von SINTEF in Oslo durchgeführt, die sich gemeinsam mit den Räumlichkeiten von CoorsTek Membrane Sciences befinden. Thijs Peters, leitender Forschungswissenschaftler bei SINTEF, ist einer der Co-Autoren des Science-Artikels über das neue Projekt.

„Das Interessante an dieser Technologie ist, dass sie sowohl kurz- als auch langfristige Relevanz hat“, fügte Peters hinzu. „Damit lässt sich nicht nur blauer Wasserstoff aus Erdgas herstellen, sondern im Rahmen einer ‚nachhaltigeren Zukunft‘ auch grüner Wasserstoff aus Biogas oder Ammoniak.“

Die Technologie zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas heißt Dampfreformierung. Erdgas besteht größtenteils aus Methan und wenn dieses mit Wasserdampf reagiert, entstehen auf jedes Methanmolekül vier Wasserstoffmoleküle. Damit diese Reaktion gelingt, muss der Dampf bei hohen Temperaturen zugeführt werden.

Ein großes Problem bei der Dampfreformierung besteht darin, dass der Prozess energieaufwendig ist und in mehreren Stufen abläuft. Es entsteht auch CO2 als Nebenprodukt. Die neue Technologie hingegen benötigt keine externe Wärme, um den Dampfreformierungsprozess anzutreiben. Ein Schlüssel zum neuen Verfahren besteht darin, dass automatisch Wärme erzeugt wird, wenn der Wasserstoff durch die Keramikmembran gepumpt wird. Bei dieser Methode wird die Wärme genau dort erzeugt, wo sie benötigt wird.

Der kleinste Baustein des neuen Verfahrens ist eine elektrochemische Brennstoffzelle, die aus einem sechs Zentimeter langen Keramikzylinder besteht. Der vergrößerte Membranreaktor, der im Science-Artikel beschrieben wird, misst 4 x 40 cm. Es besteht aus 36 solcher Zellen, die zu einem kontinuierlichen Stromkreis verbunden sind.

Das Material, das die Zellen verbindet, besteht aus Glaskeramik, die, wie der Name schon sagt, ein Verbund aus Glas und keramischen Materialien wie Porzellan ist. Dieses Material wird dann mit einem elektrisch leitfähigen Metallpulver vermischt.

Laut CoorsTek Membrane Sciences war die Entwicklung dieses Materials der Schlüssel zur Ermöglichung des Skalierungsprozesses. Die Reaktormembran wird dann in ein Stahlrohr gelegt, das die Gase unter hohem Druck hält.

Das Geheimnis der neuen Technologie liegt in dem Material, einer sogenannten protonenleitenden Keramik, aus dem die Membran besteht, die den Wasserstoff aus dem Gasgemisch entfernt.

Beim Auftreffen auf Methan (CH4) werden die Wasserstoffmoleküle gespalten und die Membran zerlegt die einzelnen Atome in ihre Bestandteile, Protonen und Elektronen. Die positiv geladenen Protonen dringen durch die Membran, während die Elektronen an den Elektroden eingefangen und über einen externen Stromkreis um die Membran transportiert werden. Wenn sich Protonen und Elektronen auf der anderen Seite der Membran wieder vereinen, entsteht reiner, komprimierter Wasserstoff.

Die Rolle von SINTEF im Projekt bestand darin, die Reaktoren zu testen und zu untersuchen, wie dieses neue Wasserstoffproduktionskonzept in ein größeres Energiesystem integriert werden kann.

„Es ist sehr lohnend, so eng mit einem Kunden zusammenzuarbeiten, um eine Technologie zu entwickeln, die für den grünen Wandel so relevant ist“, erklärte Thijs Peters. „Man lernt viel durch so enge Arbeitsbeziehungen mit Menschen in so vielen verschiedenen Bereichen.“

Auch Harald Malerød-Fjeld ist sehr zufrieden. Die Zusammenarbeit seines Unternehmens mit SINTEF war sehr eng und hat zu sichtbaren Ergebnissen geführt, über die nun in einer renommierten internationalen Zeitschrift berichtet wurde.

Die nächste Stufe in der Entwicklung dieser Technologie ist bereits im Gange. In Dhahran in Saudi-Arabien wurde eine Pilotanlage errichtet. Auch der in dieser Anlage installierte Generator, der fünfmal größer ist als der im Science-Artikel beschriebene, funktioniert nachweislich.

„Wir sind sicher, dass diese Technologie noch weiter skaliert werden kann“, schloss Harald Malerød-Fjeld. „Unsere Hoffnung ist, dass in den nächsten zwei bis drei Jahren die erste industrielle Installation einer kommerziellen Wasserstoffproduktionsanlage erfolgen kann.“

SINTEF arbeitet weiterhin mit CoorsTek Membrane Sciences an der Entwicklung größerer Membranreaktoren zusammen, und beide Organisationen arbeiten an anderen Projekten im Zusammenhang mit der Materialtechnologie.

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