ReGasNet - In-situ Abtrennung von Reinst-Wasserstoff bei der allothermen Wasserdampfvergasung

Allgemein

Als Energieträger und Speicher regenerativer Energie wird intensiv die Erzeugung von reinem Wasserstoff diskutiert. Wesentlicher Forschungsbedarf besteht allerdings noch bei der Herstellung des Wasserstoffs. Besonders viel versprechend für die wirtschaftliche und ökologisch nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff ist die Wasserdampfvergasung („Reformierung“) biogener Festbrennstoffe. 

Bei der Reformierung von Biomasse entstehen Brenngase mit einem Wasserstoffgehalt bis 50%. Eine wesentliche technische Herausforderung für die Nutzug des Wasserstoffs ist dabei – insbesondere für den Einsatz in PEM-Brennstoffzellen – die Abtrennung des Wasserstoffes aus einem staubbeladenem Brenngasgemisch mit hohen CO-, CO₂- und H₂O-Anteilen.

Ziel der Forschung

Ziel der Studie ist die Untersuchung und Demonstration eines innovativen Verfahrens zur Erzeugung hochreinen Wasserstoffes für Brennstoffzellensysteme durch eine in-situ Abtrennung des Wasserstoffes bei der Wasserdampfvergasung von biogenen Festbrennstoffen in Wirbelschicht-Reformern. 

Für die Abtrennung von Wasserstoff aus biogenen Brenngasen kommt neben den herkömmlichen Verfahren (PSA, CO-Shift und selektive Oxidation) prinzipiell auch die Abtrennung mit Palladiummembranfiltern in Frage. Dabei diffundiert H₂ durch die Integration der Filter in den Vergaser („in-situ“ Abtrennung z. B. im Wirbelschichtvergaser) könnte besonders bei der Wasserdampfvergasung die erforderliche Filterfläche (also die Kosten) um ein vielfaches reduziert werden, da die Diffusivität beispielsweise bei Temperaturen um 800°C um das 100-fache ansteigt. Zudem könnten dann evtl. kostengünstigere Materialien wie Vanadium verwendet werden.

Dazu soll in einer bestehenden Versuchsanlage zur Vergasung von Biomasse, dem „Biomass Heatpipe-Reformer“, eine Membranrohrkonstruktion getestet werden, in der Palladium-Filtermembranen Wasserstoff aus dem Brenngasstrom abtrennen sollen. Neben der Auswahl und dem Test geeigneter Materialien sollen vor allem die Trennleistung und die Standzeit der Filter und Membranen in Wirbelschichten untersucht werden. Durch die Integration der Brenngasreinigung in den Reformer kann so eine erhebliche Vereinfachung des Gesamtsystems erreicht werden. 

Die beiden folgenden Abbildungen zeigen Systeme für die Nutzung von Wasserstoff aus Biomasse in einer PEM-Brennstoffzelle, ohne und mit in-situ Wasserstoffabtrennung. Dabei wird sehr gut sichtbar, wie stark sich das System durch die Integration der Brenngasreinigung in den Reformer vereinfacht. üblicherweise bei Temperaturen um 200 °C und Drücken über 20 bar durch dünne Pd-Membranen.

Abbildung 1:System für Nutzung von ‚Wasserstoff aus Biomasse’ in PEM-Brennstoffzellen mit externer Brenngasaufbereitung (herkömmlich)