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Nachhaltiges Konzept zur dezentralen Wasserstoffproduktion

30.11.2017 | FoE Mobility & Production | TU Graz research

Die zukünftige Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellenanwendungen wird von der flächendeckenden Verfügbarkeit von nachhaltig produziertem Wasserstoff abhängen.

Mehrere Personen stehen in weißen Labormänteln mitten in einem Labor.
Projektgruppe Wasserstoffsysteme unter der Leitung von Viktor Hacker.

Zur dezentralen Erzeugung von Wasserstoff aus lokal verfügbaren Ressourcen wurde ein Verfahren zur kombinierten Wasserstoffproduktion und -reinigung entwickelt.

Brennstoffzellensysteme erzeugen hocheffizient und mit niedrigen oder ohne Emissionen elektrische Energie und Wärme. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist weitgehend von der Baugröße unabhängig. Daher bietet diese Technologie auch die Möglichkeit, dezentral – vor Ort beim Kunden bzw. bei der Kundin – elektrischen Strom mit erneuerbaren Energieträgern (zum Beispiel Biogas) herzustellen. Brennstoffzellenfahrzeuge und auch Brennstoffzellenkraftwerke zur Hausenergieversorgung werden mit Wasserstoff betrieben. Die Nachhaltigkeit und die Umweltbelastung durch die Stromerzeugung werden maßgeblich durch den Primärenergieträger zur Produktion von Wasserstoff beeinflusst. Gegenwärtig werden mehr als 90 Prozent des weltweiten Wasserstoffbedarfs durch die Umwandlung fossiler Rohstoffe gedeckt, wodurch der Ausstoß des klimaschädlichen Kohlendioxids nicht unterbunden, sondern nur an die Produktionsstätte von Wasserstoff verlagert wird. Lange Transportwege von zentralen Produktionsanlagen zum Anwender bzw. zur Anwenderin in Kombination mit der vergleichsweisen geringen Speicherdichte von Wasserstoffspeichern verlangen nach neuen, innovativen Lösungen.

Chemical-Looping Hydrogen

Schon im 19. Jahrhundert wurde der Eisen-Dampf-Prozess patentiert und zur Erzeugung von Wasserstoff für Luftschiffe eingesetzt. Aus diesem einstufigen, ineffizienten Prozess, der im Hochofen mit Kohle betrieben wurde, entstand im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der TU Graz im Rahmen eines Christian Doppler Labors und eines Research Studios Austria (im Rahmen einer FFG-Förderung) ein effizientes Verfahren basierend auf erneuerbaren Energieträgern. Das Verfahren wird vom Kooperationspartner zum Produkt weiterentwickelt.

Der zyklische Prozess basiert auf der Umsetzung von erneuerbaren Kohlenwasserstoffen, wie zum Beispiel Biogas, im Dampfreformer unter Zugabe von Wasserdampf zu einem Synthesegas. Das Synthesegas reduziert bei Temperaturen zwischen 600 und 1.000°C ein Metalloxid. Im nachfolgenden Prozessschritt wird durch die Oxidation des Metalloxids mit Wasserdampf hochreiner Wasserstoff freigesetzt. Das Verfahren erlaubt unterschiedliche Möglichkeiten der Prozessführung. Der Festbett-Reaktor wurde als beste Option für die dezentrale Wasserstoffproduktion ausgewählt. Die Koppelung und Integration aller Prozessschritte in der kompakten Reaktoreinheit erlaubt dabei den Bau von kleinen, effizienten Anlagen für die dezentrale Vor-Ort-Produktion von Wasserstoff.

Dekarbonisierte Mobilität

Die Entwicklung der langzeitstabilen Kontaktmasse zur Wasserstofferzeugung war ein notwendiges Kriterium für die wirtschaftliche Darstellung des neuen Verfahrens. Für den Einsatz eisenbasierter Materialien als reaktive Schüttung sprechen die hohe Austauschkapazität, die einfache Handhabung des ungiftigen Materials und der geringe Preis. Durch umfangreiche Testserien konnten die Herausforderungen im Bereich der Zyklenstabilität durch die Zugabe hochschmelzender Additive bewältigt werden. Die Charakterisierung und Reaktivität verschiedener Mischungen wird zuerst in ex-situ-Lebensdauertests über mehrere hundert Zyklen nachgewiesen. Anschließend werden ausgewählte Materialkombinationen in Laborsystemen auf Austauschkapazität und mechanische Stabilität untersucht.

Neben der Materialforschung wurde in Kooperation mit Industriepartnern die Komponentenentwicklung und die Prozessoptimierung am Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik durchgeführt. Im Rahmen der Gesamtsystemanalyse rückt die Möglichkeit der prozessintegrierten CO2-Abtrennung immer mehr in den Fokus. Innovative Ansätze ermöglichen dabei die Sequestrierung des reinen Kohlendioxidstroms im Prozess.

Das Verfahren wurde von der TU Graz kommerziell verwertet und wird nun vom Wirtschaftspartner in Kooperation mit der Arbeitsgruppe zu einem kommerziellen Produkt entwickelt.

Information

Als Anerkennung der engen Kooperation mit der Industrie und der wissenschaftlichen Leistung wurde die Arbeitsgruppe Brennstoffzellen und Wasserstoffsysteme unter der Leitung von Viktor Hacker mit dem Houska-Anerkennungspreis 2017 sowie dem Houska-Publikumspreis ausgezeichnet. Im November erhielt das Forschenden-Team darüber hinaus den Staatspreis Mobilität in der Kategorie „Forschen. Entwickeln. Neue Wege weisen.“ verliehen.

Kontakt

Viktor HACKER
Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Inffeldgasse 25/C/II
8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8780
viktor.hackernoSpam@tugraz.at
www.ceet.tugraz.at/fuelcells