High-Purity Hydrogen Production via Biomass Gasification

Das fortschreitende Wachstum der Industrie und die ungebremste Nutzung von fossilen Ressourcen haben die globale Erwärmung vorangetrieben und letztendlich zu einer Klimakrise geführt. Eine drastische und rasche Reduzierung der Treibhausgasemissionen ist unerlässlich, um die Auswirkungen und Schäden der Klimakrise auf Ökosysteme und Gesellschaften zu begrenzen. Eine Lösung ist der flächendeckende Einsatz erneuerbarer und emissionsarmer Technologien, die den Weg zur Klimaneutralität ebnen. Die Kombination der Gaserzeugung aus Biomasse mit nachfolgender Aufbereitung und Reinigung des Produktgases wird als praktikabler Ansatz für die Bereitstellung von nachhaltigem und hochreinem Wasserstoff angesehen. Dieses Konzept nutzt die Ähnlichkeiten zum Stand der Technik, nämlich der Dampfreformierung von Erdgas und Gaserzeugung aus Kohle, und die in der fossilen Industrie über Jahrzehnte gewonnenen Erkenntnisse, wodurch eine schnelle Technologieentwicklung ermöglicht wird.Diese Arbeit untersucht die Herstellung von hochreinem Wasserstoff über zwei verschiedene Gaserzeugungstechnologien, die für Klein- und Großanwendungen geeignet sind, hinsichtlich ihrer technischen Machbarkeit, technologischen Herausforderungen und wirtschaftlichen und ökologischen Positionierung unter den erneuerbaren Technologien. Die Festbettgaserzeugung ist eine unkomplizierte Gaserzeugungstechnologie, die in Österreich häufig in Blockheizkraftwerken eingesetzt wird. Die Integration einer Produktgasaufbereitung in diese bestehende Infrastruktur hat das Potenzial, die lokale Wertschöpfung durch die dezentrale Produktion von hochreinem Wasserstoff und möglicher vor-Ort Nutzung zu steigern. Für die großtechnische Produktion von hochreinem Wasserstoff kann die Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung aus biogenen Reststoffen, wie z. B. Rindenmulch, als gut geeignet angesehen werden um verschiedene Industriesektoren zu defossilisieren. Die Methodik dieser Arbeit umfasst somit (1) den Entwurf und die experimentelle Untersuchung einer input-flexiblen Prozesskette im Pilotmaßstab zur Herstellung von 1 kWH2 an hochreinem Wasserstoff gekoppelt mit den zwei verschiedenen Gaserzeugern, (2) den Entwurf, das Scale-Up und die Inbetriebnahme einer 100 kWH2 Demonstrationsanlage (BioH2Modul) zur integrierten und dezentralen Produktion von PEM-Brennstoffzellen geeignetem Wasserstoff, (3) die Konzeptionierung, sowie technoökonomische und ökologische Analyse für die dezentrale und zentrale Produktion von hochreinem Wasserstoff. Aus den Untersuchungen lässt sich schlussfolgern, dass die Produktion von hochreinem Wasserstoff (≥99,97 vol.-%) sowohl über die mit Luft betriebene Festbettgaserzeugung aus Holzhackschnitzeln als auch über die Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung aus Rindenmulch technisch machbar ist. Experimente mit dem Festbettgaserzeuger zeigten, dass (1) Eintrittstemperaturen von 300 °C für die Wassergas-Shift Reaktion gut geeignet sind, um 96 % des CO effizient umzuwandeln, und (2) die prominent vertretenen Teerverbindungen der Klassen 2 und 3 über den Fe/Cr-basierten Wassergas-Shift Katalysator weitgehend umgewandelt werden. Darüber hinaus erwies sich Rindenmulch als geeigneter Brennstoff für die Herstellung von hochreinem Wasserstoff mittels Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung, mit dem Vorteil, dass (1) Kohlenstoffablagerungen an dem Wassergas-Shift Katalysator ohne zusätzlichem Überschussdampf verhindert werden können, und (2) hohe Raumgeschwindigkeiten angewandt werden können. Generell wurde in der Druckwechseladsorption der typische Kompromiss zwischen Wasserstoffreinheit und -rückgewinnung beobachtet, bei welchem eine geringfügige Verringerung der Wasserstoffreinheit zu einer deutlichen Steigerung der Rückgewinnung führt. N2 und Ar zeigten den schnellsten Durchbruch, wobei dies als weniger kritisch angesehen werden kann, da es sich um die für PEM-Brennstoffzellen am wenigsten schädlichen Verunreinigungen handelt.Die Integration der entwickelten Demonstrationsanlage (BioH2Modul) in eine bestehende Energiezentrale mit Blockheizkraftwerken war erfolgreich, da die Kopplung des Festbettgaserzeugers mit entweder dem Verbrennungsmotor oder dem BioH2Modul einfach realisiert werden konnte. Somit kann eine flexible Wärme- und Strom- oder Wasserstofferzeugung angestrebt werden. Die technoökonomische Analyse der vorgeschlagenen Konzepte hat gezeigt, dass die berechneten Gestehungskosten für die Produktion von 1 MWH2 und 60 MWH2 an hochreinem Wasserstoff mittels Festbettgaserzeugung (12,5 €/kgH2) und Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung (4,7 €/kgH2) im Schwankungsbereich der in Österreich zu erwartenden Wasserstoffgestehungskosten der Elektrolyse liegen. Die geschätzten CO2-Fußabdrücke von 15 gCO2.eq/MJH2 und 11 gCO2.eq/MJH2 liegen deutlich unter dem fossilen Referenzwert (94 gCO2.eq/MJH2) und sind vergleichbar mit den CO2-Fußabdrücken der Elektrolyse. Durch die Umsetzung eines BECCS Konzepts könnten sogar negative CO2-Emissionen erzielt werden. Aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht kann die Wasserstofferzeugung durch die Gaserzeugung aus Biomasse gegenüber der Elektrolyse, der derzeit marktreifsten Technologie zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff, konkurrenzfähig sein.