Herstellung von hochreinem Wasserstoff aus Holz

Um Wasserstoff aus Holz dezentral und in kleinen Anlagen herzustellen, wurde der konventionelle Eisen-Dampf-Prozess teilweise modifiziert und um einen Vergasungsprozess erweitert, bei dem das gewonnene Synthesegas Eisenoxid reduziert. Um zu verhindern, dass das eingesetzte Eisenoxid schon nach wenigen Zyklen an Reaktivität verliert, müssen Stabilisatoren in das Eisenoxid integriert werden, thermisch stabile und reaktive Materialien auf Eisenoxidbasis. Als besondere Herausforderung erwies sich die Verunreinigung des gewonnenen Synthesegases durch eine Vielzahl teer- und schwefelhaltiger Substanzen. Damit diese den gewonnenen Wasserstoff nicht verunreinigen können, müssen die Sauerstoffträger während des Prozesses hinreichend resistent sein. Das Projekt entwickelte Möglichkeiten, um die Verunreinigung des Wasserstoffs zu verhindern.

Im grossen Stil eingesetzt, könnte Wasserstoff als Energieträger die Auswirkungen des Klimawandels abschwächen und die Auslandabhängigkeit der Schweiz von Energieimporten reduzieren. Voraussetzung dafür ist, dass Wasserstoff effizient und aus nachwachsenden Ressourcen wie Holz erzeugt wird. Die Verwendung von Wasserstoff in Niedertemperatur-Brennstoffzellen setzt zudem eine hohe Reinheit des Gases voraus. Die vorherrschende Methode zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Methan, ein Prozess, bei dem Kohlendioxid und Verunreinigungen mit Kohlenmonoxid entstehen. Um den Kohlenmonoxidgehalt des Wasserstoffs auf den Toleranzwert zu senken, war bisher eine kostspielige Gaswäsche nötig.

Das Hauptziel des vorliegenden Forschungsprojekts ist die Entwicklung von neuartigen, eisenbasierten Redox-Materialien mit folgenden Eigenschaften:

• hoher Anteil an aktivem Material
• hohe Reaktionsgeschwindigkeiten
• Resistenz gegen Abrieb
• Fähigkeit, Teere zu cracken, das heisst in Kohlenwasserstoffe kürzerer Kettenlänge zu spalten
• Resistenz gegenüber Schwefelwasserstoff und Holzasche

Für die Herstellung derartiger Materialien setzten die Forschenden eine Sol-Gel-Methode ein, welche die Synthese von nanostrukturierten Redox-Materialien erlaubt. Diese werden in einem Festbettreaktor eingesetzt. Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist die direkte Koppelung des Festbettreaktors mit dem Holzvergaser. Dieses Design macht den neuen Prozess für den industriellen Einsatz interessanter.

Die Erkenntnisse aus diesem Projekt können dazu beitragen, die Produktion von Wasserstoff nachhaltiger und effizienter zu gestalten und die Abhängigkeit der Schweiz von fossilen Energieträgern zu verringern.

Das Projekt umfasste zwei separate Studien, die mit konventionellen Sauerstoffträgern arbeiteten und zusätzlich einen neuartigen Sauerstoffträger verwendeten, der mit Kupferoxid (CuO) angereichert war. Beide Untersuchungen zeigten, dass sich die Verunreinigung des Wasserstoffs mit schwefel- und kohlenstoffhaltigen Substanzen dank der besonderen Eigenschaften des mit Kupferoxid modifizierten Sauerstoffträgers vermeiden lässt. Ein wichtiger Faktor ist dabei auch die geeignete Wahl der Reaktionszeit.

Distributed production of ultrapure hydrogen from woody biomass