Wasserstoff aus Methanol gewinnen: Optimierte Reformer
Methanol-Reformer wandeln gut transportierbares Methanol in Wasserstoff
um. Doch bestehen bei herkömmlichen Reformern noch einige Probleme – so
entsteht beispielsweise Katalysatorabrieb. Ein neuartiger Methanol-
Reformer aus dem Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
für die mobile Anwendung kann diese Herausforderungen lösen.
Wasserstoff ist der Hoffnungsträger der Energiewende: Er soll sowohl die
Mobilität als auch industrielle Prozesse nachhaltig gestalten. Doch hapert
es derzeit noch an der Verfügbarkeit, da der Transport von Wasserstoff
aufwändig ist. Abhilfe schaffen kann die Umwandlung von Wasserstoff in
Methanol. Denn Methanol lässt sich nicht nur deutlich leichter
transportieren als Wasserstoff, sondern auch nahezu unbegrenzt
aufbewahren. Dadurch könnte beispielsweise grüner Wasserstoff in
sonnenreichen Gegenden hergestellt, in Methanol umgewandelt und
transportiert werden. Das Kohlenstoffdioxid, das für die
Methanolproduktion benötigt wird, könnte entweder aus der Atmosphäre
entnommen werden oder aber aus Industrieprozessen stammen, etwa aus der
Zementproduktion. Zudem bietet Methanol mit etwa 4,8 Kilowattstunden
Energie pro Liter eine sehr hohe Energiedichte – eine Größenordnung höher
als die von komprimiertem Wasserstoff. Die International Energy Agency
prognostiziert für Methanol mit etwa sechs Cent pro Kilowattstunde darüber
hinaus sehr attraktive Kosten.
Um die im Methanol gespeicherte Energie zu nutzen, wird es mithilfe eines
Methanol-Reformers unter Zugabe von Wasserdampf wieder in Wasserstoff und
Kohlenstoffdioxid rückverwandeln – und zwar dort, wo der Wasserstoff
benötigt wird, etwa im Auto. Die Kohlenstoffdioxid-Bilanz insgesamt ist
also neutral. Doch bestehen bei üblichen Reformern derzeit noch einige
Probleme. Etwa bei den Katalysatoren, die für die Reaktionen nötig sind.
Sie bestehen aus Kupfer-Zink-Oxid-Pulver, das – zu Pellets gepresst – in
den Reaktor geschüttet wird. Allerdings entsteht dabei Katalysatorabrieb,
der die Brennstoffzelle verschmutzt. Zudem wird das Katalysatormaterial
nicht vollständig ausgenutzt und die Reaktion läuft bei vergleichsweise
tiefen Temperaturen recht langsam ab. Eine weitere Herausforderung liegt
im Wärmemanagement: Dem Reaktor muss Wärme zugeführt werden, um die
Dampfreformierungsreaktion anzutreiben – dabei geht jedoch viel Effizienz
verloren. Auch die Wärme aus dem Brennstoffzellen-Abgas kann nicht
effizient genutzt werden.
Effiziente Katalysatoren, effizientes Wärmemanagement
Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IMM entwickeln daher in mehreren
öffentlich geförderten und Industrieprojekten Methanol-Reformer, die diese
Herausforderungen überwinden. So bietet zum Beispiel der Reformer, den sie
für mobile Anwendungen entwickeln, verschiedene Vorteile: Zum einen
braucht er nur ein Sechstel, also rund 17 Prozent, des Platzes, den
handelsübliche Reformer in der vergleichbaren Leistungsklasse einnehmen –
für mobile Anwendungen durchaus ein wichtiger Punkt. Auch die
Katalysatortechnologie haben die Forschenden optimiert. »Wir setzen auf
edelmetallhaltige Katalysatorbeschichtungen, bei denen keinerlei Abrieb
entsteht – ähnlich wie beim Autokatalysator«, sagt Dr. Gunther Kolb,
stellvertretender Institutsleiter und Bereichsleiter am Fraunhofer IMM.
»Es wird daher weniger Katalysatormaterial benötigt. Da unsere
Katalysatormaterialien zudem eine höhere Aktivität aufweisen, sinkt die
benötigte Katalysatormasse abermals, ebenso wie die Kosten.« Während bei
herkömmlichen Katalysatoren bei Teillastbetrieb – also dann, wenn der
Reformer nicht ausgelastet ist – zunehmend Nebenprodukte wie
Kohlenstoffmonoxid entstehen, ist dies beim Katalysator aus dem Fraunhofer
IMM nicht der Fall.
Auch das Wärmemanagement – und somit die Energieeffizienz des Reformers –
hat das Forscherteam optimiert: Es beschichtet Plattenwärmetauscher mit
dem Katalysatormaterial und fasst diese zu Stapeln von bis zu 200 Platten
zusammen. Strömt das Gas darüber, kommt es nicht nur mit dem Katalysator
in Kontakt, sondern wird in den kleinen Kanälen auch sehr effizient
erhitzt. »Durch Nutzung der Abwärme erzielen wir eine sehr gute
Wärmeintegration und eine hohe Systemeffizienz«, erläutert Kolb. Eine
mögliche Serienfertigung haben die Forscherinnen und Forscher dabei gleich
mit im Blick: Die Reaktoren lassen sich ähnlich herstellen wie
Hochdruckwärmetauscher für Kraftfahrzeuge, es können also etablierte und
massentaugliche Prozesse genutzt werden.
Derzeit erstellen die Forschenden einen Prototyp mit einer Leistung von 35
Kilowatt, Mitte 2022 soll er fertig sein. »Das Projekt ist längerfristig
angelegt, testweise werden verschiedene Prototypen in Landfahrzeuge
integriert«, sagt Kolb. Für die maritime Anwendung entwickeln die
Forschenden beispielsweise einen Reformer mit einer Leistung von 100
Kilowatt. Langfristig ist zudem denkbar, die Reformer, die derzeit aus
Stahl gefertigt werden, aus Leichtbaumaterialien wie Titan zu produzieren
– für Anwendungen in Auto und Co. durchaus ein wichtiger Ansatz, um
Gewicht und damit den Energieverbrauch gering zu halten.
