Die Dampfreformierung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern. Der so produzierte Wasserstoff wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Die Methode (auch Dampfreforming genannt) ist das zurzeit gängigste industrielle Verfahren zur Wasserstoffproduktion und liefert etwa 95 % des weltweit erzeugten Wasserstoffs. Bei diesem lange bewährten Verfahren werden Anlagen mit einer Kapazität von bis zu 100.000 Kubikmeter pro Stunde verwendet.
Bei der Dampfreformierung handelt es sich um ein chemisches Verfahren, bei dem Kohlenstoffmonoxid mit Wasserdampf reagiert. Dabei kann der für die Reaktion benötigte Wasserdampf von außen zugegeben werden oder aber von dem jeweiligen Ausgangsstoff selbst stammen. Als kohlenstoffhaltige Brennstoffe beziehungsweise Energieträger werden vor allem Erdgas, aber auch Methan, Methanol, Leichtbenzin, LPG (Propan, Butan oder eine Mischung aus beidem) oder Naphta verwendet.
Neben Gasen können auch kohlenstoffhaltige Feststoffe vergast werden. Dafür ist die Zugabe eines Oxidators (Luft, Sauerstoff, Wasserdampf oder Kohlendioxid) nötig. Abhängig von dem zugegebenen Feststoff ändert sich die farbliche Bezeichnung des Wasserstoffs (beispielsweise Schwarz bei Steinkohle, Braun bei Braunkohle oder Orange bei Biomasse). Durch die Dampfreformierung gewinnt man ein Gasgemisch (ein Synthesegas aus CO und H₂), dessen Energiegehalt den des eingesetzten Brennstoffs deutlich übersteigt.
Es handelt sich um eine endotherme Reaktion, bei der Wärme der Reaktion zugeführt werden muss. Oftmals wird sie durch einen Katalysator unterstützt, oder die benötigte Wärme wird durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugt. Der Wirkungsgrad der Dampfreformierung (Erdgas zu Wasserstoff) liegt bei ca. 60 bis 70 %. Im Vergleich dazu liegt der Wirkungsgrad der PEM-Elektrolyse bei etwa 70 bis 80 %.
Ablauf der Reaktion
- Reaktorschritt: Im ersten Schritt wird Erdgas (hauptsächlich Methan) mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen (700-1.000 °C) in einem Katalysatorreaktor erhitzt. Hierbei entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
CH₄+H₂O→CO+3H₂CH₄+H₂O→CO+3H₂
- Wassergas-Shift-Reaktion: Im zweiten Schritt reagiert das Kohlenmonoxid mit weiterem Wasserdampf zu Kohlendioxid und zusätzlichem Wasserstoff.
CO+H₂O→CO₂+H₂CO+H₂O→CO₂+H₂
- Gasreinigung: Im letzten Schritt wird das Gasgemisch gereinigt, um Kohlendioxid und andere Verunreinigungen zu entfernen, sodass reiner Wasserstoff übrig bleibt.
Umweltbilanz und Zukunftsperspektiven
Die Dampfreformierung ist aktuell aufgrund ihrer Effizienz und geringer Kosten die dominierende Methode zur Wasserstoffproduktion. Allerdings werden die Integration von umweltfreundlicheren Technologien und der Einsatz anderer Verfahren zur Wasserstoffproduktion immer wichtiger.
Um einen Kubikmeter Wasserstoff mit Hilfe der Dampfreformierung zu erzeugen, werden etwa 0,24-0,39 Kubikmeter Erdgas benötigt. Je erzeugtem Kilogramm Wasserstoff fallen so ca. 9,24 kg CO₂ an.
Zur Reduzierung der CO₂-Emissionen wird die Kombination der Dampfreformierung mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS) erforscht. Beim Einsatz dieser Nachbehandlung spricht man von blauem Wasserstoff. Auch die Vergasung von Biogas oder Biomasse führt zu einer besseren CO₂-Bilanz des Verfahrens. Den so produzierten Wasserstoff bezeichnet man als orange. Darüber hinaus gewinnen alternative Methoden wie die Elektrolyse immer mehr an Bedeutung.
