Neues Verfahren zur Wasserstoffherstellung

(Foto: Adobe Stock)

Ein Jahrzehnt intensiver Forschung und Entwicklung zur Entwicklung robuster und effizienter Technologien mit Wasserstoff als primärer Brennstoffquelle soll eine Reihe neuer Energielösungen hervorbringen, die für kommerzielle Anwendungen bereit sind.

Schwere Nutzfahrzeuge mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (H2-Verbrennungsmotoren) werden bereits an Kunden ausgeliefert; Modelle mit Brennstoffzellenantrieb dürften in ein bis zwei Jahren verfügbar sein. Baumaschinen mit ähnlichen Technologien stehen kurz vor der Markteinführung. Andernorts sind Züge, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Strom betrieben werden, bereits in begrenztem Umfang im Einsatz.

Während diese Technologien sich in der Entwicklungspipeline zur Marktreife entwickeln, bleibt die Frage nach der Wasserstoffbeschaffung weitgehend unbeantwortet. Bestehende Anlagen produzieren nur sehr begrenzte Mengen an Wasserstoff, und obwohl verschiedene nationale Regierungen Förderinitiativen für große Wasserstoffproduktionsprojekte gestartet haben, werden diese noch Jahre brauchen, um nennenswerte Mengen zu liefern.

Der Wasserstoffmangel war so groß, dass ein deutscher Bahnbetreiber im September 2024 wieder auf Dieselzüge umsteigen musste, als es unmöglich wurde, den Kraftstoff für seine neuen wasserstoffbetriebenen Züge zu beschaffen.

Wasserstoffproduktion

Es gibt verschiedene Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff als Brennstoff. Die meisten Verfahren basieren jedoch entweder auf Elektrolyse oder Pyrolyse. Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Bei der Pyrolyse wird der Wasserstoff mithilfe von Wärme vom Ausgangsstoff getrennt.

Whitaker Irvin, Jr., Q Hydrogen

Beide Verfahren haben Nachteile hinsichtlich des Energiebedarfs. Die Elektrolyse hingegen benötigt „grünen“, erneuerbaren Strom, um grünen Wasserstoff zu erzeugen. Die Pyrolyse hingegen erfordert hohe Temperaturen, die zumindest eine geeignete Zündquelle erfordern. Das Fraunhofer IMM (Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme) hat beispielsweise ein Ammoniakpyrolyseverfahren entwickelt, das nach dem Start weitgehend wärmeautark sein soll.

Whitaker Irvin Jr., Präsident und CEO von Q Hydrogen, sagt, dass das Unternehmen ein völlig neues Verfahren zur Wasserstoffproduktion entwickelt habe, das weitaus weniger Energie verbrauche als die beiden zuvor genannten Verfahren. Er weist jedoch darauf hin, dass die Technologie ursprünglich gar nicht für die Wasserstoffproduktion entwickelt worden sei.

Die von meinem Vater entwickelte Technologie stammt aus dem Jahr 2007 und sollte eine neue Methode für industrielles Heizen und Kühlen ermöglichen. Die Idee bestand darin, zwei differenzierte Luftströme – eine warme und eine kalte Seite – mithilfe hyperbolischer Wellenformen zu erzeugen. Diese Geometrien wurden spiegelverkehrt auf festen Turbinenplattenoberflächen positioniert – sie würden sich ineinander verschachteln, wenn sie zusammengeführt würden – jedoch mit einem kleinen Abstand zwischen ihnen. Durch das Durchströmen dieser Anordnung entsteht eine Umgebung, in der Hoch- und Niederdruckzonen im und gegen den Uhrzeigersinn interagieren, um eine Reaktion (Temperaturänderung) innerhalb der Nichteisenmetallturbine auszulösen.

Wir hatten mit einem Temperaturunterschied zwischen -10 und -20 °F gerechnet. Doch die Temperatur war viel höher: etwa 147 °F auf der heißen Seite und 37 °F auf der kalten Seite. Und das alles in einer Einheit, die etwa 15 cm breit und 30 cm hoch war. Das war der erste Hinweis darauf, dass etwas Mächtigeres im Gange war.

Irvin berichtet weiter, dass etwa ein Jahr später bei einem Test des Systems in einer geschlossenen Kammer durch ein offenes Ventil Feuchtigkeit in die Testeinheit gelangte. Am nächsten Tag wurde das Ventil wieder geöffnet, und Irvin berichtet: „Es gab einen Knall! Allein durch die Feuchtigkeit in der Luft, die mit den Platten der Turbine reagierte, hatte sich Wasserstoff gebildet; die Turbine drehte sich nicht einmal.“

Ein System wurde hinzugefügt, um die Zugabe von abgemessenen Feuchtigkeitsmengen zu ermöglichen. Anschließende Tests ergaben schließlich, dass die Anlage Wasserstoffgas produzieren konnte. 2014 fiel die Entscheidung, das Verfahren zu kommerzialisieren. Daraus entstand die erste Turbine, die Wasser aufbereiten und Wasserstoff produzieren sollte.

Irvin sagt, dass im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn strömende Strömungen innerhalb der Anlage Hoch- und Niederdruckzonen erzeugen, die wiederum Hochgeschwindigkeitswirbel erzeugen. Diese Umgebung ist der Schlüssel zur Wasserstoffgasproduktion.

Der Q Hydrogen-Standort in Groveton, New Hampshire (Foto: Q Hydrogen)

„Im Wesentlichen erzeugt man eine starke Rotation des Materials in der Turbine“, erklärt er. „Es gibt noch ein paar weitere Details und Prozesselemente, die wir bald vorstellen werden, aber das ist einer der Schlüssel.“

Mit dem Vorbehalt, dass „das wahrscheinlich ziemlich abgedroschen klingt“, fährt Irvin fort und erklärt, dass sich die globale Energieproduktion bisher weitgehend auf wärmebezogene Prozesse konzentriert habe. Er betont jedoch, dass die Natur uns eine Reihe von Lösungen geschenkt habe, die das Potenzial hätten, Energie ohne chemische Reaktion zu erzeugen: „Wir müssen nur aufgeschlossen genug sein, um das zu nutzen, was da ist.“

Energie aus Neuengland

Der Forschungs- und Entwicklungsprozess wurde in einem Labor in Utah durchgeführt. Die ersten fertigen Wasserstoffproduktionsanlagen werden jedoch in einer Anlage in New Hampshire errichtet.

Laut Irvin ist die Entscheidung, die Produktion in Neuengland anzusiedeln, auf die gestiegenen Energiekosten im Norden der USA zurückzuführen. Mit der Wasserstoffproduktionsanlage hofft er, Strom zu einem Preis liefern zu können, der mit PPAs (Power Purchase Agreements) vergleichbar ist, die in den südlichen und westlichen Bundesstaaten üblicher sind.

„Wir haben viel Unterstützung von der Gemeinde und dem Staat [New Hampshire] erhalten. Wir rechnen damit, die Anlage noch in diesem Jahr zu eröffnen, hoffentlich in der ersten Jahreshälfte“, sagt er.

Der erste Kunde der Anlage wird ein mobiles Rechenzentrum sein. Zukünftig ist geplant, zahlende Kunden mit Wasserstoff zu beliefern. Dazu könnten beispielsweise Schifffahrtsunternehmen gehören, die den Wasserstoff zur Dekarbonisierung ihrer Motoren und zur Erfüllung der IMO-3-Vorschriften nutzen könnten. Zukünftige Projekte könnten dazu führen, dass stillgelegte Kohlekraftwerke für den Wasserstoffbetrieb umgerüstet und wieder ans Netz gebracht werden.

Wasserstoff-Farbkarte (Grafik mit freundlicher Genehmigung des Journal of Petroleum Technology)

Zurück zu New Hampshire: Irvin erklärt, dass der Strom aus einer Reihe von Gasgeneratoren [3016] von Caterpillar kommen wird, die für die Verwendung von Wasserstoff angepasst wurden.

Caterpillar entwickelt eigene Wasserstoffgeneratoren, wir mussten dies jedoch aufgrund des Zeitplans für die Caterpillar-Anlagen selbst tun. Diese Anlagen sind ein erster Schritt und stellen noch nicht die effizienteste Nutzung unseres Kraftstoffs dar. Wir arbeiten mit Verbrennungslaboren an Anwendungsfällen und haben bei Brennstoffzellen, Kraftstoffspeicherung und verbesserten Transporttechniken für das Produkt bereits bedeutende Fortschritte erzielt.

Zur Erklärung führt Irvin weiter aus, dass das Produkt Q Hydrogen hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, aber auch sehr geringe Konzentrationen anderer Elemente enthält, die ein breiteres Spektrum industrieller Anwendungen unterstützen.

„Ich weiß, ich drücke mich etwas vage aus, aber wir werden auch dazu Einzelheiten bekannt geben“, fügt er lächelnd hinzu. „Wir haben einige wirklich coole Dinge entdeckt, die man mit Wasserstoff machen kann und die in vielen Bereichen eingesetzt werden können.“

Energieverlust

Der Energieeinsatz im Wasserelektrolyseprozess reduziert den Gesamtenergiewert des fertigen Wasserstoffprodukts um 20 bis 30 %. Auf die Frage nach dem damit verbundenen Energieverlust durch das von Q Hydrogen entwickelte System antwortet Irvin, der Energieeinsatz sei im Vergleich zu bestehenden Produktionsmethoden „minimal“.

„So können wir den Kraftstoff vor Ort produzieren, ihn in einem höchst ineffizienten Generatorensatz verwenden und trotzdem noch mit Gewinn rechnen.“

Das IRA (Inflationsreduktionsgesetz) von 2022 bietet Produktionsgutschriften für jedes Kilogramm „qualifizierten“ sauberen Wasserstoffs, der in einer qualifizierten Produktionsanlage produziert wird. Irvin: „Ich bin froh, dass es das IRA gibt, denn es gibt der Technologie und dem Wasserstoffsektor eine Stimme, die es schon lange gibt, aber einen Schub braucht – wie Solar- und Windenergie. Wir befinden uns in diesem Prozess, aber Subventionen standen nie im Vordergrund.“

Das firmeneigene Produktionsverfahren ist so effizient, dass Q Hydrogen zwar alle verfügbaren staatlichen Subventionen zur Unterstützung der H2-Produktion in Anspruch nehmen wird, das Unternehmen jedoch auch ohne finanzielle Unterstützung profitabel arbeiten könnte.

Als Antwort auf die Argumente, eine bestimmte Energieart müsse in ihrer ursprünglichen Form genutzt werden, um unnötigen Energieverlust zu vermeiden, erklärt er, dass Energie aus Wind und Sonne zwar grundsätzlich in ihrer ursprünglichen Form besser sei und nicht zur Wasserelektrolyse verwendet werde, diese Möglichkeit aber nicht an jedem geografischen Standort bestehe. Zudem stecke die Technologie noch in den Kinderschuhen.

Die potenzielle Energie eines Wassertropfens ist enorm. Ich glaube, es gab eine Studie, die ergab, dass San Francisco eine Zeit lang mit Strom versorgt werden könnte, wenn man die gesamte Energie eines Wassertropfens effizient potenzieren könnte. Ich glaube, das stimmt, aber wir stehen erst am Anfang einer Reise, die dort enden könnte.

Zukünftiger Weg

Heute herrscht allgemeine Auffassung, dass Wasserstoff im zukünftigen Kraftstoffmix eine Rolle spielen wird, allerdings nur neben bestehenden Optionen wie Erdgas, Diesel, Benzin und Strom. Irvin ist jedoch überzeugt, dass Wasserstoff eine „massive Rolle“ spielen wird, da Technologien wie die von Q Hydrogen die derzeitige H2-Nutzungsentwicklung verändern werden.

Ich bin gerade von einer Regierungssitzung in Irland zurückgekommen. Dort wurde darüber gesprochen, wie die Nachfrage zu Stromengpässen führt. In den USA ist für einige geplante Rechenzentren der Netzanschluss erst in sieben oder zehn Jahren geplant, da derzeit noch keine Kapazitäten vorhanden sind. Ich denke, Wasserstoff kann diese Probleme lösen. Ich denke, es besteht das Potenzial für neue Rechenzentren, die komplett vom Netz unabhängig sind und mit Wasserstoff betrieben werden.

Wasserstoffpipelines werden wahrscheinlich Teil eines Hub-and-Spoke-Systems sein (Foto: Adobe Stock)

Es gibt weitere Wettbewerber auf dem Markt für Fernenergie, darunter Niedrigenergie-Kernreaktoren. Irvin glaubt, dass diese eine wichtige Rolle spielen werden, die maßgeblich von der geografischen Lage abhängt. „Es wird Platz für Mikro-Kernkraftwerke und Wasserstoff geben, aber sie werden den Markt auf unterschiedliche Weise beeinflussen.“

Was die Lieferung angeht, sagt er, dass Potenzial für eine nationale Wasserstoffpipeline besteht, aber einer der Faktoren, die dies unterstützen würden, sei der Zustand des Endprodukts.

Der von uns produzierte Wasserstoff könnte über eine Pipeline geliefert werden. Tatsächlich wird die Produktion aber vermutlich auf einem Hub-and-Spoke-Modell basieren. Es wäre sehr teuer, Wasserstoffgas oder kryogen gekühlten flüssigen Wasserstoff durch eine Pipeline zu leiten.

Irvin fügt hinzu, dass Q Hydrogen wie auch zur Produktionstechnologie zu einem späteren Zeitpunkt weitere Einzelheiten über die mögliche Lieferung von Wasserstoff über eine eigene Pipeline bekannt geben wird.