20 August 2007

Bio-Wasserstoff: Was ist machbar?

Konversionsverfahren aus Biomasse zur Kraftstoffnutzung

Der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff für mobile Anwendungen kann einen wichtigen Beitrag für eine energieeffizientere und ökologischere Mobilität leisten. Bereits heute ist die Nutzung von Wasserstoff ökologisch vorteilhaft, denn gut 45% des weltweiten Wasserstoffbedarfes von derzeit 540 Mrd.m3 pro Jahr werden in Erdölraffinierungsprozessen wie der Entschwefelung konventioneller Kraftstoffe eingesetzt.

Aus ökologischer Perspektive ist ein weitergehender Einsatz des Sekundärenergieträgers letztlich dann sinnvoll, wenn er aus nachhaltiger Produktion stammt. Die Nutzung von Biomasse bietet hierfür interessante Alternativen. Verschiedene Konversionsverfahren ermöglichen die indirekte als auch direkte Erzeugung von Wasserstoff aus unterschiedlichen biogenen Rohstoffen.

Indirekte Wasserstoffproduktion
Als Ausgangsstoffe für die Biogasproduktion mittels Fermentation eignen sich unter anderem biogene Reststoffe aus der Landwirtschaft als auch Energiepflanzen wie Mais in Form von Maissilage. Aus der Vergärung gewonnenes Biogas kann nach Aufbereitung zu reinem Biomethan in einem konventionellen Methan-Dampf-Reformer für die Wasserstoffproduktion eingesetzt werden.

Verfahren zur Biogasproduktion aus feuchter Biomasse mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan sind Stand der Technik. Bedingt durch logistische und wirtschaftliche Restriktionen beim Einsatz energiearmer biogener Rohstoffe ist der derzeit sinnvolle Kapazitätsbereich von Fermentern auf einige hundert Normkubikmeter pro Stunde begrenzt. Eine Integration größerer Fermenter für die Vor-Ort-Produktion von Biomethan an Standorten, an denen nachhaltiger Wasserstoff produziert werden soll, erscheint demnach wenig sinnvoll.

Um dennoch Biomethan in ausreichend großen Mengen standortunabhängig bereitstellen zu können, bietet sich die Entkopplung von Produktion und Nutzung an. Hierfür wird aufbereitetes Biogas am Ort der Erzeugung in das Erdgasnetz eingespeist und nach einem “virtuellen Transport” am Nachfrageort wieder entnommen. Qualität und Zusammensetzung des einzuspeisenden und aufbereiteten Biogases sind in DVGW-Regelwerken definiert. Ein Zertifizierungskonzept zur Nachvollziehbarkeit des virtuellen Biogashandels wurde vom TÜV Süd, München, vorgestellt. Auch wenn alternative Verwertungswege für Biogas wie die direkte Verstromung oder die Nutzung als Erdgassubstitut Einschränkungen im nutzbaren Biogaspotenzial erwarten lassen, zeigen Potentialbetrachtungen, dass die indirekte Wasserstoffproduktion insbesondere in der Übergangsphase hin zur Wasserstoffwirtschaft, einen nennenswerten Beitrag zur nachhaltigen Bereitstellung des Energieträgers leisten kann.

Direkte Wasserstoffproduktion
Eine weitere Variante der biogenen Wasserstoffproduktion ist die Vergasung von Biomasse. Hierbei wird in einem nachgeschalteten CO-Shift Reaktor der Wasserstoffanteil des in der Vergasung entstehenden Synthesegases weiter erhöht. Das Abtrennen des Wasserstoffgases aus dem Synthesegasstrom erfolgt in einer Druckwechseladsorption. Je nach Prozessführung und Rohstoffqualität sind Ausbeuten von bis zu 90kg Wasserstoff pro Tonne trockener Biomasse realisierbar. Die erforderlichen Technologien zur Biomassevergasung befinden sich großteils noch im Entwicklungsstadium oder werden in verschiedenen Pilotanlagen demonstriert. Potenzielle Rohstoffe sind feste, holzartige Biomassen wie Waldrestholz oder schnell wachsende Baumarten. Auch lignocellulosehaltige Biomasse wie Miscanthus ist theoretisch nutzbar.
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Die Wirtschaftlichkeit einer künftigen Wasserstoffproduktion mittels Biomassevergasung hängt in hohem Maße von der Anlagengröße ab, denn beim Übergang von klein- zu großskalierten Anlagen sind sinkende spezifische Investitionskosten zu erwarten. Eine ökonomische Analyse der Wasserstoffbereitstellung erfordert außerdem die integrierte Betrachtung der Wasserstoffdistribution, deren Kosten je nach Lieferform und -distanz einen maßgeblichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen können. Vor diesem Hintergrund hat der Anlagenstandort einen ebenfalls nennenswerten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffbereitstellung. Grundsätzlich sind zwei Optionen denkbar:

  • Der Aufbau eines kleinskalierten, dezentralen Biomassevergasers in Kundennähe, wie zum Beispiel am Rande eines urbanen Zentrums. Der gasförmige Wasserstoff wird aus wirtschaftlichen Gründen hochkomprimiert per Lkw transportiert.
  • Die Installation eines großskalierten Vergasers zur zentralen Wasserstoffproduktion und Versorgung mehrerer Nachfragezentren. Für einen wirtschaftlichen Transport über größere Distanzen wird der Wasserstoff verflüssigt.

Erste ökonomische Analysen zeigen, dass die direkte Wasserstoffproduktion durch Vergasung fester Biomasse nur im größeren Maßstab wirtschaftlich darstellbar sein wird, das  heißt mit Feuerungswärmeleistungen von mindestens einigen zehn Megawatt. Der Grund hierfür sind deutlich geringere spezifische Investitionskosten für größere Anlagen, welche spezifischen Mehrkosten für die Rohstoffbeschaffung und die Wasserstoffdistribution über größere Distanzen weit überwiegen. Durch Integration größerer Einheiten in Standorte der konventionellen Wasserstoffproduktion lassen sich durch Nutzung vorhandener Infrastruktur zusätzliche Synergien realisieren. Darüber hinaus bietet Flüssigwasserstoff neben einer volumeneffizienteren Vor-Ort-Speicherung den Vorteil, Wasserstoff in flüssiger und gasförmig komprimierter Form abtanken zu können.

Je nach Standort überwiegen die spezifischen Mehrkosten für die Rohstoffbeschaffung erst bei Anlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von deutlich mehr als 100MW die Einsparungen an spezifischen Investitionskosten. Tendenziell zeichnet sich daher ab, dass besonders größere Vergasereinheiten in Kombination mit der Flüssigwasserstoffdistribution in mehrere Nachfragezentren wirtschaftlich äußerst sinnvoll sind. Allerdings dürfen sozio-ökologische Aspekte bei der Realisierung solcher Vergaser nicht vernachlässigt werden, wie etwaige Auswirkungen sehr großer Anlagen auf die regionale Flora und Fauna als auch mögliche Akzeptanzprobleme der umliegenden Bevölkerung. Demnach ist davon auszugehen, dass der künftig mögliche Beitrag der Biomassevergasung zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion aus einer Kombination von sowohl großer zentraler, aber auch regionaler Produktionszentren erfolgen wird, je nach örtlichen Gegebenheiten am potentiellen Produktionsstandort.

Fazit
Prinzipiell stehen biogene Rohstoffe für eine direkte und indirekte Wasserstoffproduktion in signifikanten Mengen zur Verfügung. Die betrachteten Pfade stehen allerdings in direkter Konkurrenz zu alternativen Nutzungspfaden für die biogene Kraftstoffproduktion. Ganzheitliche Analysen einer biogenen Wasserstofferzeugung auf der Basis der knappen Ressource Fläche zeigen indes, dass Biowasserstoff im Vergleich zu alternativen Nutzungsoptionen eine konkurrenzfähige und großteils auch höhere flächenspezifische Mobilität ermöglicht. Nach derzeitigem Wissensstand ist eine mittelfristig verstärkte Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff im mobilen Bereich, primär in urbanen Zentren wie Berlin, Hamburg und dem Ruhrgebiet zu erwarten. Biowasserstoff könnte hier einen signifikanten Beitrag leisten, um eine mögliche künftig steigende Nachfrage nach Wasserstoff nachhaltig und flexibel zu decken.

Kontakt
Alexander Stubinitzky
E-Mail: Alexander.Stubinitzky@linde-gas.com

(Vgl. Meldungen vom 2007-05-14 und 2007-06-21.)

Source: Linde Gas AG, Alexander Stubinitzky, Eigenrecherche, 2007-08-17.

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