Erdgas-Reformierung erklärt: Eine wichtige Methode der Wasserstoffproduktion

Was ist Erdgasreformierung und warum ist sie wichtig?

Die industrielle Methandampfreformierung ist eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Methoden zur Erzeugung von reinem Wasserstoff und ein wichtiger Bestandteil der weltweiten Energieversorgung. Von diesen Techniken ist die Dampf-Methan-Reformierung (SMR) wegen ihrer hohen Effizienz und der Verfügbarkeit der erforderlichen Infrastruktur am weitesten verbreitet. Der Hauptunterschied besteht darin, dass dieses Gasstromverfahren besonders wichtig ist, da Wasserstoffgas eine der wichtigsten Komponenten des Übergangs zu saubereren Energiesystemen ist, da es ein großes Potenzial zur Verringerung der Treibhausgasemissionen besitzt.

Erdgas-Reformierwasserstoff wird in verschiedenen Industriezweigen und Anwendungen wie folgt eingesetzt. Er ist ein strategischer Brennstoff für den Betrieb von Brennstoffzellen, die in Elektroautos und anderen Anwendungen für erneuerbare Energien eingesetzt werden. Neben der Energieerzeugung wird Wasserstoff auch zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel, Methanol für Chemikalien und sogar als Treibstoff für Flugzeuge und Düsentreibstoff verwendet. Die Fähigkeit, Wasserstoff in industriellem Maßstab zu erzeugen, garantiert seine Position als Schlüssel für die weltweite Umstellung auf nachhaltige Energie.

Dieses Verfahren ist jedoch nicht unproblematisch. Obwohl es billig ist und häufig eingesetzt wird, hängt es von fossilen Brennstoffen wie Methan ab, was zu einem hohen Kohlenstoffausstoß führt. Um dem entgegenzuwirken, sind Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) erforderlich, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Außerdem entstehen bei der Erdgasreformierung Wasserstoff und Kohlendioxid, und der erzeugte Wasserstoff muss für die kommerzielle Nutzung weiter gereinigt werden. Die größte Herausforderung bei der Weiterentwicklung dieser Technologie besteht darin, das richtige Gleichgewicht zwischen Effizienz des Prozesses, Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit zu finden.

Wie funktioniert das? Erforschung der Wissenschaft der Erdgasreformierung

Die Erdgasreformierung ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, der in verschiedenen Industriezweigen wie Chemie, Energie und Brennstoffzellen verwendet wird. Das Verfahren besteht aus drei Hauptstufen: Vorbehandlung des Rohgases, Reformierungsreaktion und Reinigung des Synthesegases. Es ist daher angebracht, jede Stufe wie folgt zu erörtern.

Stufe 1: Rohgas-Vorbehandlung

Rohes Erdgas besteht größtenteils aus Methan, enthält jedoch zwischen 0,1 und 2% Verunreinigungen wie Schwefelverbindungen, Wasserdampf und andere schwere Kohlenwasserstoffe. Wenn sie von den Katalysatoren aufgenommen werden, vergiften sie diese und führen zu Verunreinigungen und negativen Auswirkungen auf den nachgeschalteten Prozess. Daher ist eine Vorbehandlung erforderlich, um einen reibungslosen Prozess zu gewährleisten und die Lebensdauer des Katalysators nicht zu verkürzen.

Die Entfernung von schwefelhaltigen Verbindungen ist eine der kritischsten Aktivitäten in dieser Phase. Verunreinigungen wie Schwefelwasserstoff (H₂S) werden von Substanzen wie Zinkoxid (ZnO) adsorbiert, die mit Schwefel zu festem Zinksulfid (ZnS) reagieren. Durch dieses Verfahren wird der Schwefelgehalt effektiv auf unter 0,1 ppm gesenkt, um die empfindlichen Reformierungskatalysatoren zu schützen.

Die Trocknung ist ebenso wichtig, da Feuchtigkeit die Reformierungsreaktionen und die nachfolgenden Reinigungsschritte behindert. Von allen Trocknungsmitteln werden Molekularsiebe (4A, 5A, 13X) aufgrund ihrer hohen Selektivität, ihrer thermischen Stabilität und ihrer Fähigkeit, Feuchtigkeit bis auf ein sehr niedriges Niveau zu entfernen, bevorzugt. Sie schneiden besser ab als andere Materialien wie aktiviertes Aluminiumoxid, das eher für Anwendungen mit geringer Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen geeignet ist, und Kieselgel, das als zweites Trockenmittel verwendet wird. Molekularsiebe werden bevorzugt, weil sie eine längere Lebensdauer haben und Wasser effektiver entfernen können, so dass eine sehr trockene Methanbeschickung gewährleistet ist.

Schließlich werden die hochmolekularen Kohlenwasserstoffe entfernt, um eine Verkokung der Katalysatoren zu vermeiden und so den nachgeschalteten Prozess zuverlässiger und langlebiger zu machen. Am Ende dieser Stufe ist das Erdgas ein gereinigter Methanstrom, der für die Reformierungsreaktion bereit ist.

Stufe 2: Reformierungsreaktion

Nun wird das gereinigte Methan in Synthesegas umgewandelt, das eine Kombination aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ist. Dieser Schritt erfolgt bei erhöhter Temperatur, normalerweise zwischen 800 und 1000 °C, und verwendet einen Katalysator auf Nickelbasis, um die Reaktionen zu fördern.

Die Dampf-Methan-Reformierung (SMR) ist das in der Industrie am häufigsten eingesetzte Reformierungsverfahren. Durch die Umwandlung von Dampf mit Hilfe eines Katalysators wird aus Methan Synthesegas erzeugt. Diese Reaktion ist sehr effizient und führt zu einer Methanumwandlung von mehr als 95%.

Es gibt auch andere Reformierungsverfahren wie die automatische thermische Reformierung (ATR), die anstelle von SMR (oder zusätzlich dazu) eingesetzt werden können. Bei ATR wird die partielle Oxidation mit der Dampfreformierung kombiniert und Wärme innerhalb des Prozesses erzeugt, wodurch der externe Energiebedarf reduziert wird. Diese Methode wird bevorzugt bei Anwendungen eingesetzt, bei denen Kohlenstoffgutschriften und Energieeinsparungen von größter Bedeutung sind.

Die Reformierungsstufe beinhaltet auch die Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion (WGS). Dabei handelt es sich um eine Sekundärreaktion, bei der Kohlenmonoxid mit Wasser reagiert und mehr Wasserstoff und Kohlendioxid bildet. Die WGS-Reaktion optimiert die Wasserstoffausbeute und senkt gleichzeitig den Kohlenmonoxidgehalt im Synthesegas, um die Reinigung in einem nachfolgenden Schritt zu erleichtern.

Stufe 3: Reinigung des Syngas

Der letzte Schritt bei der Erdgasreformierung ist die Reinigung des Synthesegases bis zu hochreinem Wasserstoff mit einem Reinheitsgrad von oft über 99,99 %. Dies bedeutet, dass unerwünschte Stoffe wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan, Wasser und andere entfernt werden, da sie die weitere Verwendung beeinträchtigen können.

Das Verfahren beginnt mit der Optimierung der Wassergasverschiebung, bei der restliches Kohlenmonoxid im Synthesegas mit Dampf reagiert, um zusätzlichen Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Dieser Schritt verbessert nicht nur die Wasserstoffausbeute, sondern dient auch dazu, den Kohlenmonoxidgehalt zu senken, damit er leichter entfernt werden kann.

Anschließend wird Kohlendioxid entweder durch chemische Absorption mit Aminen oder durch Druckwechseladsorption (PSA) entfernt. Bei der Aminwäsche reagiert CO₂ mit chemischen Lösungsmitteln, während bei der PSA Adsorbentien wie Zeolithe verwendet werden, um CO₂ selektiv zu adsorbieren und mehr als 85% des Wasserstoffs zurückzugewinnen.

Bei der Methanisierung wird dann das restliche Kohlenmonoxid durch Umwandlung in Methan und Wasser mit Hilfe von Wasserstoff entfernt. Dieser Schritt gewährleistet, dass der CO-Gehalt auf weniger als 10 ppm gesenkt wird, so dass der Wasserstoffstrom für sensible Anwendungen wie Brennstoffzellen sicher ist.

Die meisten Menschen übersehen die Trocknung bei der Reinigung, aber die Tatsache, dass selbst Spuren von Feuchtigkeit die Geräte beschädigen können. Molekularsiebe (5A, 13X) sind aufgrund ihrer hohen Wasseraufnahmekapazität, thermischen Stabilität und langen Lebensdauer die am häufigsten verwendeten Trockenmittel. Bei Anwendungen mit geringer Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen sind andere Materialien wie aktiviertes Aluminiumoxid erforderlich, während Kieselgel als Ersatztrockenmittel verwendet wird. Nichtsdestotrotz sind Molekularsiebe aufgrund ihrer Effektivität bei der Erreichung extrem niedriger Taupunkte und damit der Qualität und Stabilität des Wasserstoffstroms wünschenswert.

Nicht zuletzt gibt es noch eine Funktion wie die kryogene Destillation oder die Membrantechnologie, um den Verlust von Verunreinigungen zu vermeiden. In Anlagen, die die CCS-Technologie einsetzen, wird das CO₂ nach der Komprimierung aufgefangen und gespeichert, was die Emissionen um bis zu 90% reduziert.

Die Erdgasreformierung ist ein etwas komplizierter, aber sehr effektiver Prozess der Wasserstofferzeugung. Bei der Regenerierung des Katalysators ist jeder Schritt in Verbindung mit der Vorbehandlung und den Stufen nach der Reformierung und Reinigung entscheidend für eine hohe Ausbeute, den Schutz der Anlagen und die Produktreinheit. Vorbehandlungsreaktionen wie die WGS- und Methanisierungsreaktionen tragen dazu bei, die Effizienz zu steigern und Verunreinigungen zu minimieren. Von den kritischen Technologien sind Molekularsiebe nach wie vor das beliebteste Trocknungsmittel, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Temperaturen, geringer Feuchtigkeit und präziser Adsorption. Dies ist vor allem auf eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Wärmetauschern zurückzuführen, zu denen eine überlegene Leistungsstabilität sowie ein extrem niedriger Feuchtigkeitsgehalt gehören, die alle von entscheidender Bedeutung sind, wenn der Reformierungsprozess gewährleistet werden soll. Mit den Fortschritten bei der autothermen Reformierung und der Kohlenstoffabscheidung bleibt diese Technologie relevant und wird mit Hilfe neuer Entwicklungen bei der autothermen Reformierung und der Kohlenstoffabscheidung weiter ausgebaut.

Warum Jalon Molekularsiebe für die Wasserstoffreinigung wählen?

Jalon ist einer der führenden Hersteller von Molekularsieben in China und auf der ganzen Welt. Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung bieten wir Kunden in 86 Ländern und Regionen unvergleichliche Lösungen, die durch 112 eingetragene Patente gestützt werden. Qualität ist das Herzstück der Marke Jalon, die die Normen ISO 9001 und ISO 14001 integriert, um Konsistenz und kontinuierliche Verbesserung in jeder Produktionsphase zu gewährleisten.

Unser hochmodernes Forschungs- und Entwicklungsteam, das aus 56 hochqualifizierten Experten besteht, arbeitet mit führenden Wissenschaftlern aus akademischen Einrichtungen zusammen. Dies ermöglicht es uns, modernste Molekularsiebtechnologie zu entwickeln und überlegene Lösungen für die Wasserstoffreinigung zu liefern. Wenn Sie sich für Jalon entscheiden, wählen Sie nicht nur ein Produkt - Sie investieren in Innovation, unübertroffene Qualität und eine Partnerschaft, die Ihren Erfolg in der Wasserstoffindustrie vorantreiben wird.

Warum wird dieser Weg in Betracht gezogen?

Die beliebteste und effektivste Technik zur Wasserstofferzeugung ist die Erdgasreformierung, da sie effizient und flexibel ist und sich in die bestehenden Anlagen integrieren lässt. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie der thermochemischen Wasserspaltung oder der Elektrolyse ist sie weitaus kostengünstiger und daher für kurz- bis mittelfristige Wasserstoffanwendungen geeignet.

Heutzutage wird der meiste Wasserstoff durch Erdgasreformierung hergestellt, da Erdgas billig und leicht verfügbar ist, insbesondere in den Vereinigten Staaten. Neue Entwicklungen bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) haben das Verfahren verbessert, indem sie die Auswirkungen des Prozesses auf die Umwelt verringern. Durch die Abscheidung von CO₂-Emissionen kann durch die Erdgasreformierung kohlenstoffarmer Wasserstoff erzeugt werden, der auch als "blauer Wasserstoff" bezeichnet wird, und so die weltweiten Bemühungen um eine Dekarbonisierung unterstützen.

Diese Methode ist außerdem sehr flexibel und kann sowohl für mittelgroße Anwendungen als auch für die Wasserstoffproduktion in großem Maßstab eingesetzt werden. Dank ihrer Vielseitigkeit kann sie den Bedarf verschiedener Branchen decken, z. B. im Verkehrswesen (Brennstoffzellen und Elektrofahrzeuge) und bei industriellen Verfahren wie der Ammoniak- und Methanolsynthese. Obwohl die erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie schnell wachsen, sind sie nicht stabil genug, um den auf fossilen Brennstoffen basierenden Wasserstoff vollständig zu ersetzen. Daher spielt die Erdgasreformierung eine wichtige Rolle als Übergangskraftstoff, der einen Schritt in Richtung einer sauberen und nachhaltigen Energie darstellt.

Was sind die Umweltauswirkungen und Herausforderungen der Erdgasreformierung?

Die Erdgasreformierung ist jedoch nicht unproblematisch, und zwar vor allem in Bezug auf die Umwelt. Das Verfahren erzeugt auch eine erhebliche Menge an CO₂-Emissionen, die vor allem durch die Verwendung von Methan, einem fossilen Brennstoff, entstehen. Wenn diese Emissionen nicht aufgefangen und gespeichert werden, tragen sie direkt zum Klimawandel bei, was für die Funktion von Wasserstoff als sauberer Energieträger kontraproduktiv ist.

Das Verfahren ist auch sehr energieaufwändig, da es viel Wärme benötigt, um die Methan-Dampfreformierung (SMR) bei hohen Temperaturen zu betreiben. Diese Energie wird häufig durch die Verbrennung weiterer fossiler Brennstoffe erzeugt, was bedeutet, dass der Prozess der Wasserstofferzeugung - ein umweltfreundlicher Brennstoff - auf kohlenstoffintensiven Verfahren beruht.

Bei der Reformierung entstehen jedoch geringe Mengen an Kohlenmonoxid (CO), das für die Arbeitnehmer gefährlich ist und strenge Umweltmaßnahmen erfordert. Die Anwendung des Verfahrens in kleinerem Maßstab führt zu zusätzlichen Ineffizienzen und wirtschaftlichen Problemen, da die Technologie in großem Maßstab am effektivsten ist.

Um diese Probleme zu überwinden, sind Verbesserungen bei SMR- und Wassergasverschiebungsreaktoren in Vorbereitung. Die Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz von Wärmerückgewinnungssystemen und der Reaktionsbedingungen könnten die Schlüsselfaktoren sein. Außerdem ist es von entscheidender Bedeutung, den Einsatz von CCS-Technologien zur Abscheidung von CO₂-Emissionen zu erhöhen, die für die Herstellung von "blauem Wasserstoff" erforderlich sind. Diese sind wichtig, weil sie dazu beitragen, die relativen Umweltkosten der Erdgasreformierung zu senken.

Was bringt die Zukunft der Erdgasreformierung?

Die Zukunft der Erdgasreformierung hängt von der technologischen Entwicklung und den Trends zur Dekarbonisierung auf der ganzen Welt ab. Da der Wasserstoffverbrauch in strategischen Märkten wie Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien steigt, wird die Erdgasreformierung in naher Zukunft weiterhin die führende Produktionsmethode sein. Ihre langfristige Nachhaltigkeit ist jedoch immer noch fraglich und hängt von der Nutzung von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und der Umstellung auf sauberere Technologien ab.

Erneuerbarer Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser mit Hilfe von Sonnen- oder Windenergie erzeugt wird, dürfte die derzeitige Struktur der Wasserstofferzeugung und -vermarktung erheblich verändern. Dies liegt daran, dass die Kosten für erneuerbare Technologien in Zukunft sinken dürften und somit der Einsatz der Erdgasreformierung zurückgehen könnte. Es ist auch möglich, eine Symbiose zwischen erneuerbaren Energiequellen und Reformierungssystemen als potenzielle Zwischenlösung für die Massenproduktion von Wasserstoff zu finden.

Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz von Prozessen, zur Verringerung des Kohlenstoffausstoßes und zur Wärmerückgewinnung werden im industriellen Sektor weiterhin einen hohen Stellenwert haben. Darüber hinaus werden staatliche Anreize und die Entwicklung der Wasserstoffinfrastruktur die weiteren Perspektiven dieser Technologie bestimmen, insbesondere in den USA und verschiedenen Ländern Europas.

Auch wenn Umweltaspekte nach wie vor ein Thema sind, wird die Erdgasreformierung als Brücke von der derzeitigen Infrastruktur für fossile Brennstoffe zu einer künftigen Wasserstoffwirtschaft ein Teil des Wasserstoffherstellungsprozesses bleiben.