Rückgewinnung und Aufbereitung von erneuerbarem Wasserstoff aus der Mischung mit Erdgas

Im Projekt HylyPure wurde die Entwicklung eines Verfahrens im Labormaßstab zur energieeffizienten Rückgewinnung von Wasserstoff aus einer Mischung mit Erdgas mittels Membrantechnologie und Druckwechseladsorption durchgeführt. Hintergrund dieses Verfahrens ist die dezentrale Wasserstoffproduktion aus elektrischer Überschussenergie (Power-to-Gas) und Verteilung des Wasserstoffs über das bestehende Erdgasnetz. Bei der Zumischung von Wasserstoff ins Erdgasnetz sind landesspezifische Beimischgrenzen einzuhalten, die den Wasserstoffgehalt auf relativ niedrigem Wert beschränken (Österreich: 4 %(v/v), Deutschland: 5 %(v/v), 10 %(v/v) werden diskutiert). Der abgetrennte Wasserstoff soll am Ausgang des Verfahrens in Brennstoffzellenqualität zur Verfügung gestellt werden, derzeit ist dabei von einer Reinheit von mindestens 99,97 %(v/v) auszugehen. Diese Trennaufgabe energieeffizient zu bewerkstelligen und mit einer lokalen Wasserstoffbereitstellung durch z.B. Elektrolyse oder einem Antransport per LKW konkurrieren zu können, ist die zentrale Herausforderung im Projekt HylyPure.

Konkrete Ziele im Projekt waren die optimale Auswahl der Membranen und der Trennsequenzen, das Sicherstellen der Anlagenflexibilität (H₂/CH₄-Feed, Kapazität) sowie die Entwicklung von Regelungskonzepten. Im Weiteren wurden die Auswirkungen von Nebenkomponenten in der Gasmischung auf die Trennperformance und die Produktqualität des produzierten H₂ untersucht.

Während des Projektes wurde eine Versuchsanlage entwickelt, um systematisch die zwei Prozessschritte Membran und Adsorption zu untersuchen. Nach zahlreichen Versuchen mit synthetischen Gasen wurde ebenfalls eine vom Projektpartner zur Verfügung gestellte Erdgas-Wasserstoff-Mischung verwendet. Neben des Nachweises der technischen Machbarkeit wurden, basierend auf diesen Erkenntnissen, unterschiedliche Prozessvarianten entworfen und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit analysiert.

Im dreijährigen Projekt konnte ein Verfahren entwickelt werden, welches in der Tat die technische Abtrennung von brennstoffzellentauglichem Wasserstoff (>99,97 % (v/v)) aus Mischungen mit Erdgas (bis 4 % (v/v) Wasserstoff) ermöglicht; die technische Machbarkeit dieses Verfahrens konnte im Labor experimentell nachgewiesen werden. Hierzu wurde eine Membran-Gaspermeationsstufe auf Basis einer kommerziell verfügbaren Polymermembran als erster Trennschritt entwickelt und dessen Trenncharakteristik in umfangreichen experimentellen und simulativen Arbeiten untersucht. Als optimierter Betriebszustand wird ein Druck auf der Permeatseite von 1,0 bis 2,0 bar(a) bei einem sehr niedrigen Stage-cut von bis zu 0,1 (geringe Membranfläche für gegebenen Feedvolumenstrom) festgelegt. Dabei ist eine Anreicherung des Wasserstoffgehalts von 4 % (v/v) im Feed auf 30 bis 35 %(v/v) im Permeat zu erwarten. Als zweiter Trennschritt wird eine Druckwechseladsorption angeordnet, welche experimentell in Form eines Einzeladsorbers untersucht und optimiert wurde. Mit einer Ausbeute von etwa 50 % wird dabei aus dem Permeat der Membranstufe ein Wasserstoffstrom der erforderlichen Qualität bereitgestellt. Der restliche Wasserstoff wird gemeinsam mit den abgetrennten Erdgaskomponenten als Desorbat der Adsorptionsstufe rekomprimiert und der Erdgasleitung rückgeführt.

Die Einzeltrennschritte sowie der Gesamtprozess wurden mit verschiedenen Methoden mathematisch modelliert und zum Zwecke der Optimierung von Betriebsparametern umfangreiche Simulationsarbeiten durchgeführt. Speziell im Bereich der Membrantechnik wurden dabei neuartige und bisher nicht publizierte Phänomene beobachtet. Zur Beschreibung dieser Phänomene wurden bestehende rigorose mathematische Modelle verwendet und substantiell erweitert. Zur Prozessoptimierung wurde aufgrund der Verlässlichkeit ein aus den experimentellen Resultaten regressiertes Parametermodell verwendet.

Für den ausgelegten Prozess wurde das Basic Engineering für eine erste Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von 108 kg Reinwasserstoff pro Tag für eine Wasserstofftankstelle angefertigt. Dies wurde auch als Basis für die wirtschaftliche Analyse des Konzepts herangezogen, welche nach einem Standard des Projektpartners OMV durchgeführt wurde. Dabei konnte ermittelt werden, dass bei einer vierjährigen Investitionsphase für die Anlage der Break-even-Point nach 6 Jahren erreicht wird und die Anlage bis zum Ende der Abschreibungsperiode nach 15 Jahren einen Überschuss vor Steuern abzüglich der Investition von mehr als den doppelten Anlagenkosten erwirtschaften kann. Damit ist das Konzept bereits in der relativ frühen Phase wirtschaftlich tragfähig und eine hochkompetitive Versorgungsmöglichkeit künftiger Wasserstofftankstellen.