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Die Wasserstoffreinigungsmembran ist für bestimmte Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, selektiv durchlässig. Während das Wasserstoffgas durch die Membran strömt, werden die Verunreinigungen abgeschieden und das gereinigte Wasserstoffgas wird auf der anderen Seite gesammelt. Elektrochemische Trennung: Dieser Prozess findet in einem Palladium-Wasserstoff-Reiniger statt.
Was sind die effektivsten Methoden zur Wasserstoffreinigung?
Wasserstoff ist ein vielversprechender sauberer Energieträger, der für verschiedene Anwendungen wie Brennstoffzellen, Stromerzeugung und Transport genutzt werden kann. Allerdings sind bei der Wasserstoffproduktion häufig Verunreinigungen enthalten, die die Qualität und Leistung beeinträchtigen können. Daher ist die Wasserstoffreinigung ein wesentlicher Schritt, um die Effizienz und Sicherheit der Wasserstoffnutzung zu gewährleisten.
Druckwechseladsorption
Die Druckwechseladsorption (PSA) ist eine weit verbreitete Methode zur Wasserstoffreinigung, die auf der selektiven Adsorption von Verunreinigungen an porösen Materialien wie Aktivkohle oder Zeolithen unter hohem Druck beruht. Anschließend werden die adsorbierten Verunreinigungen freigesetzt, indem der Druck verringert und das Adsorptionsmittel mit einem Spülgas gespült wird. PSA kann eine hohe Reinheit und Rückgewinnung von Wasserstoff erreichen, erfordert aber auch einen hohen Energieverbrauch, große Gerätegrößen und eine regelmäßige Regeneration des Adsorptionsmittels.
Membrantrennung
Die Membrantrennung ist eine weitere gängige Methode zur Wasserstoffreinigung, bei der dünne und durchlässige Materialien wie Polymere, Metalle oder Keramiken verwendet werden, um Wasserstoff anhand ihrer Molekülgröße, Form oder Affinität von anderen Gasen zu trennen. Die Membrantrennung kann bei niedrigem oder Umgebungsdruck und -temperatur durchgeführt werden, was die Energie- und Kapitalkosten senkt. Die Membrantrennung steht jedoch auch vor Herausforderungen wie Membranverschmutzung, -abbau und -selektivität.
Kryo-Destillation
Die kryogene Destillation ist eine Methode zur Wasserstoffreinigung, die die unterschiedlichen Siedepunkte von Wasserstoff und anderen Gasen ausnutzt. Durch Abkühlen des Gasgemisches auf extrem niedrige Temperaturen kann Wasserstoff als Dampf abgetrennt werden, während die Verunreinigungen als Flüssigkeiten kondensiert werden. Mit der kryogenen Destillation kann eine sehr hohe Reinheit und Rückgewinnung von Wasserstoff erreicht werden, insbesondere zur Entfernung von Inertgasen wie Stickstoff und Helium. Die kryogene Destillation bringt jedoch auch einen hohen Energieverbrauch, eine komplexe Ausrüstung und Sicherheitsrisiken mit sich.
Palladiumdiffusion
Palladiumdiffusion ist eine Methode zur Wasserstoffreinigung, die die einzigartige Eigenschaft des Metalls Palladium nutzt, das Wasserstoffatome durch seine Gitterstruktur absorbieren und diffundieren kann. Durch Anlegen eines Druck- oder Temperaturgradienten über eine dünne Palladiummembran kann Wasserstoff selektiv von einer Seite zur anderen transportiert werden, wobei die Verunreinigungen zurückbleiben. Durch die Palladiumdiffusion kann eine ultrahohe Reinheit und Rückgewinnung von Wasserstoff erreicht werden, sie weist jedoch auch den Nachteil hoher Materialkosten, begrenzter Verfügbarkeit und einer Anfälligkeit für Vergiftung und Versprödung auf.
Biologische Methoden
Biologische Methoden sind neue Methoden zur Wasserstoffreinigung, bei denen Mikroorganismen wie Bakterien, Algen oder Pilze eingesetzt werden, um Verunreinigungen aus Wasserstoffgas umzuwandeln oder zu entfernen. Beispielsweise können einige Bakterien Kohlenmonoxid, eine häufige Verunreinigung bei der Wasserstoffproduktion, als Wachstumssubstrat nutzen und als Nebenprodukte Kohlendioxid und Wasser produzieren. Biologische Methoden können einen geringen Energieverbrauch, Vorteile für die Umwelt und potenzielle Mehrwertprodukte bieten. Allerdings stehen biologische Methoden auch vor Herausforderungen wie geringer Effizienz, Skalierbarkeit und Stabilität.
Neue Methode zur Wasserstoffreinigung
Forscher haben erstmals 98,8 Prozent des Wasserstoffs aus dem Austrittsstrom eines herkömmlichen wassergekühlten Wassergas-Shift-Reaktors zurückgewonnen, was den höchsten jemals gemessenen Wert darstellt.
Bei herkömmlichen Methoden zur Wasserstofftrennung wird ein Wassergas-Shift-Reaktor verwendet, was einen zusätzlichen Schritt erfordert. Im Wassergas-Shift-Reaktor wird zunächst Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt und anschließend mittels eines Absorptionsprozesses Wasserstoff und Kohlendioxid getrennt. Mithilfe eines Kompressors wird der gereinigte Wasserstoff zur sofortigen Verwendung oder Speicherung unter Druck gesetzt.
Der Einsatz von protonenselektiven Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembranen (PEMs) ist erforderlich, um Wasserstoff schnell und wirtschaftlich von anderen Gasmolekülen wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid zu trennen. Sie kann auch bei höheren Temperaturen betrieben werden als andere elektrochemische Hochtemperaturpumpen vom PEM-Typ und verbessert so ihre Fähigkeit, Wasserstoff von anderen Gasen zu trennen.
Wasserstoffreinigungsprozess
Um die Trennung zu erreichen, verwendete das Team ein Elektroden-„Sandwich“, bei dem Elektroden mit entgegengesetzten Ladungen als „Brot“ und eine Membran als „Feinkostfleisch“ dienen. Die Elektroden-Ionomer-Bindemittelmaterialien sind so konzipiert, dass sie die Elektroden zusammenhalten, ähnlich wie Gluten Brot zusammenhält.
Die Brotscheibe bzw. positiv geladene Elektrode in der Pumpe setzt Protonen und Elektronen aus dem Wasserstoff frei. Während Protonen durch die Membran wandern, wandern Elektronen über einen Draht durch die Pumpe, der eine positiv geladene Elektrode berührt. Nachdem sie die Membran passiert haben und an der negativ geladenen Elektrode angekommen sind, verbinden sich Protonen und Elektronen erneut zu Wasserstoff.
Da die PEM nur Protonen durchlässt, können Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und Stickstoffgas nicht passieren. Das Team entwickelte einen haftenden Phosphonsäure-Ionomer-Binder, um die Elektrodenpartikel in der Wasserstoffpumpe zusammenzuhalten, damit sie ordnungsgemäß funktionieren können.
Forscher werden ihren Ansatz und ihre Werkzeuge nutzen, um die Wasserstoffreinigung in Erdgaspipelines zu untersuchen. Obwohl diese Methode zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff noch nicht in die Praxis umgesetzt wurde, ist sie vielversprechend. Wasserstoff könnte zur Unterstützung von Solar- und Windenergiesystemen sowie einer Vielzahl anderer umweltfreundlicher Anwendungen mithilfe einer Brennstoffzelle oder eines Turbinengenerators verwendet werden.
Wasserstoffreinigung
Industriegas enthält eine Vielzahl von Abgasen mit unterschiedlichem Wasserstoff. Auch die Trennung und Reinigung von Wasserstoff gehört zu den frühesten industrialisierten Bereichen der PSA-Technologie.
Das Prinzip der PSA-Trennung von Gasgemischen besteht darin, dass sich die Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels für verschiedene Gaskomponenten mit der Druckänderung ändert. Die Verunreinigungskomponenten im Einlassgas werden durch Hochdruckadsorption entfernt und diese Verunreinigungen werden durch Druckreduzierung und Temperaturerhöhung desorbiert. Der Zweck, Verunreinigungen zu entfernen und reine Bestandteile zu extrahieren, wird durch Druck- und Temperaturänderungen erreicht.
Bei der PSA-Wasserstoffproduktion wird das Molekularsiebadsorptionsmittel JZ-512H verwendet, um den reichen Wasserstoff abzutrennen und Wasserstoff zu erzeugen, der durch die Druckänderung des Adsorptionsbetts vervollständigt wird. Da Wasserstoff sehr schwer zu adsorbieren ist, können andere Gase (die als Verunreinigungen bezeichnet werden) leicht oder leicht adsorbiert werden, sodass wasserstoffreiches Gas erzeugt wird, wenn der Druck nahe am Einlassdruck des behandelten Gases liegt. Bei der Desorption (Regeneration) werden Verunreinigungen freigesetzt und der Druck sinkt allmählich auf den Desorptionsdruck
Der Adsorptionsturm führt abwechselnd den Prozess der Adsorption und des Drucks durch. Ausgleich und Desorption, um eine kontinuierliche Wasserstoffproduktion zu erreichen. Reichhaltiger Wasserstoff gelangt unter einem bestimmten Druck in das System. Der reiche Wasserstoff durchläuft den mit Spezialadsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsturm von unten nach oben. Co/CH4/N2 wird als starke Adsorptionskomponente auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels zurückgehalten und H2 dringt als Adsorptionskomponente in das Bett ein. Der am oberen Ende des Adsorptionsturms gesammelte Produktwasserstoff wird außerhalb der Grenze ausgegeben. Wenn das Adsorptionsmittel im Bett mit CO/CH4/N2 gesättigt ist, wird der reiche Wasserstoff auf andere Adsorptionstürme umgeleitet. Beim Adsorptions-Desorptionsprozess verbleibt im Adsorptionsturm immer noch ein gewisser Druck an Produktwasserstoff.
Dieser Teil des reinen Wasserstoffs wird zum Ausgleich und Spülen der anderen gerade desorbierten Druckausgleichstürme verwendet. Dadurch wird nicht nur der verbleibende Wasserstoff im Adsorptionsturm genutzt, sondern auch die Druckanstiegsgeschwindigkeit im Adsorptionsturm verlangsamt, der Ermüdungsgrad im Adsorptionsturm verlangsamt und der Zweck der Wasserstofftrennung effektiv erreicht.
7 Dinge, die Sie über Wasserstoff wissen müssen
Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist das häufigste Element in unserem Universum. Unter normalen Umständen ist es gasförmig und wir sprechen von Wasserstoffgas (H2). Wasserstoff ist zudem das leichteste uns bekannte Gas und weist daher eine geringe Energiedichte pro Volumeneinheit (in m3) auf. Pro Gewicht (in kg) hat Wasserstoff eine hohe Energiedichte von 120 Megajoule (MJ) pro kg. Das ist fast dreimal so viel wie Erdgas (45 MJ pro kg). Wasserstoff steht oft unter Druck. Das Unter-Druck-Setzen (Komprimieren) von Wasserstoffgas erfordert jedoch auch die erforderliche Energie (ca. 10 %).
Was ist grauer und blauer Wasserstoff?
Fast der gesamte derzeit weltweit produzierte Wasserstoff ist sogenannter „grauer Wasserstoff“. Die Produktion erfolgt derzeit über Steam Methane Reforming (SMR). Dabei reagiert Hochdruckdampf (H2O) mit Erdgas (CH4) zu Wasserstoff (H2) und dem Treibhausgas CO2. In den Niederlanden werden auf diese Weise etwa 0,8 Millionen Tonnen H2 produziert, wobei vier Milliarden Kubikmeter Erdgas verwendet werden und CO2-Emissionen von 12,5 Millionen Tonnen entstehen.
Der Begriff „blauer Wasserstoff“ oder „kohlenstoffarmer Wasserstoff“ wird verwendet, wenn das bei der Produktion von grauem Wasserstoff freigesetzte CO2 größtenteils (80-90 %) aufgefangen und gespeichert wird. Man nennt dies auch CCS: Carbon Capture & Storage. Dies könnte in leeren Gasfeldern unter der Nordsee passieren. Nirgendwo sonst auf der Welt wird blauer Wasserstoff in großem Maßstab hergestellt.
Weißer Wasserstoff aus dem Boden die saubere Energiequelle der Zukunft?
Grauen, blauen und grünen Wasserstoff kennen wir bereits, mittlerweile scheint es aber auch weißen oder natürlichen Wasserstoff zu geben. Das kommt aus dem Boden, genau wie Erdgas. Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff wird nur Wasser freigesetzt. Weißer Wasserstoff ist ein natürlicher Wasserstoff aus dem Untergrund, der das Potenzial hat, eine wichtige Energiequelle der Zukunft zu werden, wenn er durch Elektrolyse von Wasser mit Wind- oder Solarenergie (grün) hergestellt wird.
Es wird dann nicht aus natürlicher Asche oder Kohle (grau) hergestellt, auch nicht durch vorheriges Auffangen des CO2 (blau). Das Gas wird hauptsächlich zur Beheizung von Prozessen in der chemischen Industrie sowie bei der Stahl- und Düngemittelproduktion eingesetzt. Beim Übergang von fossiler zu grüner Energie kann es als Pufferspeicher für Strom in Zeiten ohne Sonne und Wind dienen.
Welche Rolle spielt Wasserstoff bei der Energiewende?
In unserem aktuellen Energiemix werden ca. 20 % in Form von Strom und 80 % in Form von Erdgas oder flüssigen fossilen Brennstoffen (Benzin, Diesel) bereitgestellt. Unsere Klimaziele werden diese Situation in naher Zukunft erheblich verändern. Der Anteil der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie wird stark zunehmen. Für eine Reihe von Anwendungen wie Schwertransport, Hochtemperaturprozesse in der Industrie und Luftfahrt fehlt noch eine gute elektrische Lösung und es besteht weiterhin Bedarf an einem nachhaltigen Gas. Wasserstoff kann hier eine nützliche Rolle spielen. Darüber hinaus ist Wasserstoff als Großspeicher für windstille und bewölkte Momente wichtig.
Was bedeutet Wasserstoff für den Bürger?
Kurzfristig wird sich nicht viel zeigen. Der Einsatz von Wasserstoff beispielsweise in Privathaushalten wäre, wenn überhaupt, längst überfällig. Für die meisten Haushalte bietet ein kollektives Wärmenetz oder eine elektrische Wärmepumpe eine bessere Lösung. Im Verkehr wird die Zahl der Wasserstoffautos (aktuell unter hundert) und die Zahl der Wasserstofftankstellen (2018: 3) langsam zunehmen.
Was sind die Risiken?
Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas, leicht entzündlich und wird in der Mobilität unter Drücken bis zu 700 bar eingesetzt. Wie bei jedem anderen Gas ist es wichtig, bei der Herstellung, beim Transport und bei der Verwendung sorgsam damit umzugehen und es ausschließlich professionellen Unternehmen zu überlassen. Soll Wasserstoff in bestehenden Gasleitungen eingesetzt werden, ist es wichtig, weiter zu untersuchen, wie sich Wasserstoff in der Praxis tatsächlich „verhält“. Wasserstoff ist leichter als Erdgas und kann aus Ventilen und Dichtungen leichter entweichen.
Was macht TNO in Sachen Wasserstoffforschung?
TNO ist eine unabhängige Organisation, die modernste angewandte Forschung betreibt. Die Wasserstoffforschung konzentriert sich auf Produktion, Infrastruktur und Anwendungen (Umwandlung und Endverwendung). Im Jahr 2020 führte TNO mehr als 50 Projekte zu diesen Themen durch. Links zu einer Auswahl dieser Projekte finden Sie weiter unten (Punkt 15).
PSA-Wasserstoffreinigung
Wasserstoffgas wird in verschiedenen Prozessen hergestellt und fällt typischerweise in unreiner Form an. Typische Prozesse umfassen die chemische Synthese durch Methan-Dampfreformierung, die Ausgasung aus Styrol- oder Ethylenanlagen, bei denen Wasserstoffgas als Nebenprodukt entsteht, sowie petrochemische Anwendungen wie Hydrocracken oder Entschwefelung. Um den Wasserstoff nutzen zu können, ist ein Reinigungsprozess erforderlich, um gereinigtes Wasserstoffgas zu erzeugen. Die Wasserstoff-Druckwechseladsorption (H2PSA) ist ein Prozess, der sich die Flüchtigkeit von Wasserstoff und dessen insgesamt fehlende Polarität und Affinität zu Zeolithen zur Reinigung kontaminierter Gasströme zunutze macht.
Bei der Wasserstofferzeugung entstehen typischerweise Verunreinigungen oder Nebenprodukte, die entfernt werden müssen. Dazu gehören Verbindungen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasser und nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe. Wasserstoff-PSA nutzt die bevorzugte Adsorption dieser Komponenten und eliminiert sie aus dem Wasserstoffstrom, um gereinigten Wasserstoff zu erhalten.
Traditionell nutzt Wasserstoff-PSA die Vorteile mehrerer Siebbetten und besteht aus vier Phasen: einer Adsorptionsphase, einer Druckentlastungsphase, einer Regenerationsphase und einer Wiederdruckphase. Dabei wird der unreine Wasserstoffstrom in das Siebbett geleitet, wo Verunreinigungen unter Druck selektiv am Molekularsieb adsorbiert werden. Nachdem der Adsorptionsschritt abgeschlossen ist, erfolgt die Regeneration durch Druckentlastung des Bettes, wodurch die Affinität der Verunreinigungen abnimmt und diese entsorgt werden können.
Eine weitere Reinigung des Bettes wird durch Spülen mit reinem Wasserstoff erreicht, um alle verbleibenden Verunreinigungen zu entfernen. Das Bett wird erneut unter Druck gesetzt, um den Adsorptionsprozess zu wiederholen. Die Betten laufen synchron, um eine kontinuierliche Wasserstofferzeugung zu ermöglichen.
Die Einsatzmöglichkeiten des leichtesten Elements der Erde sind sehr vielfältig. Wasserstoff kann als Energiespeichermedium, zur Strom- und Wärmeerzeugung oder als äußerst aktiver Reaktionspartner in der chemischen Industrie eingesetzt werden.
Wenn Wasserstoff verbrannt (oxidiert) wird, um Energie zu erzeugen, ist das Reaktionsprodukt kein Abfall, sondern nur elementares Wasser. Wurde der Wasserstoff zuvor aus Wasser durch Elektrolyse mit regenerativem Wind- oder Solarstrom erzeugt, entsteht ein völlig CO{0}}freier Energiekreislauf, in dem der „grüne“ Wasserstoff als Träger und Speicherelement genutzt wird.
Neben der elektrolytischen Spaltung von Wasser ist es auch möglich, durch Pyrolyse Wasserstoff aus Erdgas oder Biogas (Methan) herzustellen. Bei der ebenfalls völlig CO{0}}freien Pyrolyse wird Methan in seine elementaren Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespalten. Der so erzeugte „türkisfarbene“ Wasserstoff kann als CO2-freier Energieträger genutzt werden, während das Abfallprodukt Kohlenstoff (Carbon Black) als Pigment in Farben, in Tonern oder in der Reifenproduktion verwendet wird.
Unsere Fabrik
Die Produkte werden in allen Regionen Chinas verkauft und in Länder auf der ganzen Welt exportiert. Sie wurden in mehr als 20 Ländern und Regionen verkauft, darunter in den USA, Deutschland, Marokko, Kenia, Saudi-Arabien, Vietnam, Algerien, Indien, Tansania und Taiwan. Erfolgreich beliefert namhafte Unternehmen wie China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group und andere namhafte Unternehmen. Es gibt viele Wasserstoff-Hydrierstationen für grünen Wasserstoff wie Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming usw., die grüne und wasserstofferzeugende Projekte anbieten.
Häufig gestellte Fragen
F: Wie funktioniert die Wasserstoffreinigung?
F: Wie lässt sich Wasserstoff am saubersten herstellen?
F: Wie hoch ist der Energieverbrauch der Wasserstoffreinigung?
F: Was ist das PSA-System für Wasserstoff?
F: Welche Chemikalien werden bei der Reinigung von Wasserstoff verwendet?
F: Was passiert mit Wasser, nachdem Wasserstoff extrahiert wurde?
F: Warum ist Wasserstoff nicht gut für die Umwelt?
F: Wie lässt sich Wasserstoff am günstigsten herstellen?
F: Warum ist Wasserstoff so schwer herzustellen?
F: Braucht die Herstellung von Wasserstoff viel Strom?
F: Ist Wasserstoff brennbar?
F: Wie viel kostet ein Wasserstoffsystem?
F: Bei welchem PSI wird Wasserstoff gespeichert?
Wasserstoff kann sowohl gasförmig als auch flüssig physikalisch gespeichert werden. Die Speicherung von Wasserstoff als Gas erfordert typischerweise Hochdrucktanks (350–700 bar [5,000–10,000 psi] Tankdruck). Die Speicherung von Wasserstoff als Flüssigkeit erfordert kryogene Temperaturen, da der Siedepunkt von Wasserstoff bei einem Druck von einer Atmosphäre −252,8 Grad beträgt.
F: Warum Wasserstoff reinigen?
F: Wie entfernt man Verunreinigungen aus Wasserstoffgas?
F: Wie viel Strom wird benötigt, um Wasserstoff aus Wasser herzustellen?
F: Warum kann Wasser nicht als Kraftstoff verwendet werden?
F: Welche Probleme gibt es mit grünem Wasserstoff?
F: Was sind die drei Nachteile von Wasserstoff?
F: Warum ist Wasserstoff nicht die Zukunft?
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