Die Dampfreformierung ist das bedeutendste industrielle Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern. Der so produzierte Wasserstoff wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Die Methode (auch Dampfreformation, Dampfreforming oder Steam Reforming genannt) liefert derzeit rund 95 % des weltweit erzeugten Wasserstoffs. Heutige Anlagen erreichen Kapazitäten von bis zu 100.000 Kubikmeter pro Stunde.
Verfahren
Das Verfahren basiert auf der Reaktion eines kohlenstoffhaltigen Energieträgers mit Wasserdampf. Als Ausgangsstoffe dienen hauptsächlich Erdgas (Methan), aber auch Methanol, Leichtbenzin, Flüssiggas (LPG) oder Naphtha. Der benötigte Wasserdampf kann extern zugeführt werden oder aus dem Ausgangsstoff selbst stammen. Auch kohlenstoffhaltige Feststoffe können als Grundlage für die Dampfreformierung dienen, etwa Steinkohle oder Braunkohle. Ihre Nutzung führt zu „schwarzem“ bzw. „braunem“ Wasserstoff.
Die endotherme Reaktion erfordert eine kontinuierliche Wärmezufuhr, die häufig durch Verbrennung eines Teils des Ausgangsstoffs oder durch katalytische Prozesse bereitgestellt wird. Das Verfahren erreicht bei der Umwandlung von Erdgas zu Wasserstoff einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 %. Im Vergleich dazu liegt der Wirkungsgrad der PEM-Elektrolyse bei etwa 70 bis 80 %.
Prozessschema (© Mahler AGS GmbH)
Ablauf der Reaktion
- Reaktorschritt: Im ersten Schritt wird Erdgas (hauptsächlich Methan) mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen (700-1.000 °C) in einem Katalysatorreaktor erhitzt. Dabei entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
CH₄+H₂O→CO+3H₂CH₄+H₂O→CO+3H₂
2. Wassergas-Shift-Reaktion: Im zweiten Schritt reagiert das Kohlenmonoxid mit weiterem Wasserdampf zu Kohlendioxid und zusätzlichem Wasserstoff.
CO+H₂O→CO₂+H₂CO+H₂O→CO₂+H₂
3. Gasreinigung: Im letzten Schritt wird das Gasgemisch gereinigt, um Kohlendioxid und andere Verunreinigungen zu entfernen.
Umweltbilanz und Fazit
Die Dampfreformierung verursacht erhebliche CO₂-Emissionen: Pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff entstehen etwa 9,24 Kilogramm CO₂. Der so produzierte „graue“ Wasserstoff steht daher zunehmend in der Kritik. Zur Verbesserung der Klimabilanz werden verschiedene Ansätze verfolgt:
- Die Kombination mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS) führt zu „blauem“ Wasserstoff
- Die Vergasung von Biomasse oder Biogas erzeugt „orangen“ Wasserstoff mit einer besseren CO₂-Bilanz
- Alternative Verfahren wie die Elektrolyse führen zu „grünem“ Wasserstoff und gewinnen daher zunehmend an Bedeutung
Trotz der Klimaschädlichkeit bleibt die Dampfreformierung aufgrund ihrer Effizienz und Wirtschaftlichkeit bis auf Weiteres das dominante Verfahren der industriellen Wasserstoffproduktion. Langfristig ist jedoch mit einer zunehmenden Verlagerung zu klimafreundlicheren Produktionsmethoden zu rechnen.
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