Zur Erzeugung von Ökostrom mit Netto-Null-Emissionen sind lediglich 400 Grad erforderlich!

Produziert von: Science Popularization China

Autoren: Chen Jintao (Universität für Luft- und Raumfahrt Peking), Chen Lin, Hao Yong, Liu Mingkai, Wang Bin, Guo Ke (Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Aufgrund ihrer Vorteile wie CO2-Freiheit, Umweltfreundlichkeit und hohe Energiedichte wird Wasserstoffenergie in der zukünftigen Energiestruktur definitiv eine wichtige Rolle spielen. Dies ist von großer Bedeutung für die Anpassung der Energiestruktur, die kohlenstoffarme Entwicklung der Industrie und die Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“.

【用】Die untrennbare Verbindung zwischen den Olympischen Winterspielen in Peking und der Wasserstoffenergie

Wasserstoffenergie kann in vielen Bereichen eingesetzt werden.

Nehmen wir als Beispiel die Olympischen Winterspiele 2022 in Peking. Alle durch diese Olympischen Winterspiele verursachten Kohlenstoffemissionen wurden neutralisiert und sie werden als die „grünsten“ Olympischen Winterspiele bezeichnet. Hinter den „Grünsten“ stecken viel „Technologie und harte Arbeit“, insbesondere bei der Nutzung der Wasserstoffenergie.

Erstens wird die Fackel „Flying“ der Olympischen Winterspiele in Peking im Gegensatz zu früheren Olympischen Spielen, bei denen Flüssigerdgas oder Propan als Brennstoff für die Fackeln verwendet wurde, mit Wasserstoff gezündet. Dabei kommt die weltweit erste Fackel mit Hochdruckspeicherung von Wasserstoff zum Einsatz. Mit dieser Fackel konnten viele technische Probleme wie Sichtbarkeit der Wasserstoffflamme, Anpassungsfähigkeit an komplexe Oberflächen, großflächige Dekompression, sichere Verwendung von Wasserstoff und Speicherung von Wasserstoff als Brennstoff erfolgreich gelöst werden. Damit wurde erstmals in der Geschichte der Olympischen Winterspiele eine Fackel mit null Kohlenstoffemissionen erreicht.

Szene der Lichtzeremonie bei den Olympischen Winterspielen in Peking

(Fotoquelle: Offizielle CCTV-Website)

Das Ereignis war beispiellos und die beiden antiken Olympiastädte waren begeistert. Tatsächlich sind die beiden in Peking ausgetragenen Olympischen Spiele untrennbar mit Wasserstoff verbunden, und der Beitrag der Wasserstoffenergie zum Umweltschutz beschränkt sich nicht nur auf die Fackel.

Während der Olympischen Sommerspiele 2008 in Peking wurde in Peking die erste Wasserstofftankstelle für Fahrzeuge meines Landes gebaut, was einen Durchbruch von „0 auf 1“ für Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen darstellte. Bei den Olympischen Winterspielen 2022 wurden insgesamt 816 Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge in Betrieb genommen, die sich zum Hauptverkehrsmittel entwickelten. China hat bei Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen von „1 auf 100“ einen Durchbruch erzielt und die Schadstoffemissionen erheblich reduziert.

Wasserstoffbusse im Einsatz im Olympiagebiet

(Fotoquelle: Offizielle CCTV-Website)

Nach Jahren intensiver Forschung hegen die Menschen heute große Hoffnungen in die Wasserstofftechnologie, anstatt sich davor zu fürchten. Die Wasserstoffenergie hat im Prozess der Energiewende bereits einen unersetzlichen Platz eingenommen. Die Olympischen Winterspiele in Peking waren ein Weltklasse-Schaufenster für die Wasserstoffenergie. Sie ermöglichten die Nutzung von Wasserstoffenergie nicht nur in der Luft und am Boden, sondern eroberten auch die Herzen der breiten Öffentlichkeit.

[Eilmeldung] Traditioneller Wasserstoffproduktionsprozess: Kohlenstoffemissionen folgen Ihnen überall

Wenn wir Wasserstoffenergie sicher und bequem nutzen wollen, müssen wir zunächst das Problem der Wasserstoffproduktion lösen.

Wasserstoff ist ein sekundärer Energieträger, der nicht direkt aus der Natur gewonnen werden kann und auf andere Weise hergestellt werden muss. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, umfassen die traditionellen Methoden der Wasserstoffproduktion hauptsächlich: Wasserstoffproduktion durch fossile Energie, Wasserstoff als industrielles Nebenprodukt, Wasserelektrolyse und andere Methoden. Die beiden wichtigsten Methoden zur Wasserstofferzeugung sind derzeit die industrielle Erdgasreformierung und die Kohlevergasung.

Tabelle 1 Aktueller Stand der Wasserstoffproduktionsstruktur weltweit und in China

(Datenquelle: Referenz [1])

Die industrielle Erdgasreformierung zur Herstellung von Wasserstoff ist derzeit die weltweit am weitesten verbreitete Methode zur Wasserstoffproduktion und macht mehr als 62 % der gesamten Wasserstoffproduktion aus. Der Hauptvorteil der Erdgasreformierung besteht darin, dass Erdgas eine reichlich vorhandene Energiequelle und die Hauptenergiequelle mit dem niedrigsten Kohlenstoffgehalt ist. Die Kosten für die Gewinnung sind außerdem gering. Nach langfristiger Entwicklung ist eine vollständige und ausgereifte Technologie entstanden, deren Produktionsumfang problemlos erweitert werden kann.

Allerdings ist diese Methode nicht umweltfreundlich. Bei der Reformierung von Erdgas handelt es sich um eine Reihe chemischer Reaktionen, bei denen Methan in Wasserstoff umgewandelt wird. Dabei werden große Mengen Kohlendioxid freigesetzt, was die Probleme des Klimawandels verschärft.

Gleichzeitig weist der Prozess eine hohe Reaktionstemperatur (800–1.000 Grad Celsius) auf , und die Industrie verwendet im Allgemeinen die Methode, einen Teil des Methans zu verbrennen, um Reaktionswärme zu liefern, was direkt zu einem hohen Energieverbrauch und hohen Kohlendioxidemissionen führt, die zur Herstellung jedes Kilogramms Wasserstoff erforderlich sind, und die Menge an Wasserstoff reduziert, die pro Kubikmeter Erdgas produziert werden kann. Jedes produzierte Kilogramm Wasserstoff stößt 8 bis 11 Kilogramm Kohlendioxid in die Atmosphäre aus.

Schematische Darstellung der Industriekette für Produktion, Speicherung und Transport von Wasserstoff

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Eine weitere wichtige Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist die Kohlevergasung. Die derzeitige Energienutzungsstruktur meines Landes wird immer noch von Kohle dominiert. Kohlevorkommen sind relativ reichlich vorhanden und die Kosten sind relativ niedrig, sodass die Kohlevergasung zur Herstellung von Wasserstoff in meinem Land weit verbreitet ist.

Allerdings ist der Prozess der Wasserstofferzeugung durch Kohlevergasung komplex und weist einen höheren Energieverbrauch und höhere Kohlenstoffemissionen auf als die industrielle Wasserstofferzeugung durch Erdgasreformierung. Bei der Wasserstofferzeugungstechnologie durch Kohlevergasung werden 20–25 Kilogramm Kohlendioxid pro Kilogramm Wasserstoff ausgestoßen. Darüber hinaus ist es bei der Kohlevergasung wahrscheinlicher, dass andere Schadstoffe wie Schwefeldioxid und Stickoxide entstehen, die leicht zu Luftverschmutzung führen können. Daher sind die umfassenden wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Kohlevergasung zur Wasserstofferzeugung nicht so groß wie die der Erdgasreformierung zur Wasserstofferzeugung.

Allerdings muss gesagt werden, dass die beiden oben genannten traditionellen Technologien zur Wasserstoffproduktion in unterschiedlichem Ausmaß mit Treibhausgasemissionen einhergehen. Vor dem Hintergrund des „Dual Carbon“-Ansatzes würde die direkte Nutzung herkömmlicher Wasserstoffproduktionstechnologien zur großtechnischen Produktion von Wasserstoffenergie zu einem unüberbrückbaren Widerspruch zwischen Wasserstoffenergie und Kohlenstoffemissionen führen und die effiziente Produktion und großflächige Nutzung von Wasserstoffenergie ernsthaft einschränken.

Wenn jedoch das gesamte Kohlendioxid, das bei der Umwandlung kohlenstoffhaltiger Energie in Wasserstoffenergie entsteht, aufgefangen und gespeichert oder für die Nutzung umgewandelt werden kann, können die Kohlenstoffemissionen erheblich reduziert oder sogar vermieden werden. Dadurch wird aus kohlenstoffhaltiger Energie erzeugter Wasserstoff zu einer wirklich „nachhaltigen“ und „grünen“ Wasserstoffenergie. Können wir das machen? Die Antwort chinesischer Wissenschaftler lautet: Ja.

Wasserstoffenergie

(Fotoquelle: veer)

[Stand] Durchbruch im Prinzip der Erdgas-Wasserstoffproduktion mit „Netto-Null-Emissionen“

Das Labor für dezentrale Energieversorgung und erneuerbare Energien des Instituts für Technische Thermophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat erstmals ein neues Prinzip der sequentiellen Trennung mehrerer Produkte sowie eine neue Methode der Methandampfreformierung auf Basis sequentieller Trennung vorgeschlagen und damit einen Durchbruch beim Prinzip der emissionsfreien Erdgas-Wasserstoffproduktion unter milden Bedingungen von 400 Grad Celsius erzielt.

Mit dieser neuen Technologie können theoretisch aus jedem Kubikmeter Erdgas 4 Kubikmeter Wasserstoff hergestellt werden. Das tatsächliche Testergebnis beträgt etwa 3,85 Kubikmeter und liegt damit mehr als 50 % über der Wasserstoffproduktion pro Einheit bei der industriellen Erdgasreformierung (2,5 Kubikmeter). Durch den Wegfall der Verbrennung und die Reduzierung des Energieverbrauchs für die Produkttrennung lässt sich der Energieverbrauch pro Kilogramm produziertem Wasserstoff um 20–40 % senken.

Derzeit hat der vom Team entwickelte Prototyp unter milden Bedingungen von 400 Grad Celsius und Normaldruck eine Methanumwandlungsrate von >99 %, eine Wasserstoff- und Kohlendioxidausbeute und -selektivität von >99 % erreicht und so direkt hochreinen Wasserstoff und Kohlendioxid gewonnen. Darüber hinaus wurde eine Zuverlässigkeitsüberprüfung von bis zu 3 Wochen und 6.000 Zyklen abgeschlossen, die vorläufig die umfassenden Aussichten für die Transformation und Anwendung dieser Technologie demonstriert.

Gleichzeitig werden bei dieser neuen Technologie durch die geordnete Trennung mehrerer Produkte alle Kohlenstoffelemente im Erdgas direkt in Form von hochreinem Kohlendioxid aufgefangen, wodurch die direkte Emission von Kohlendioxid in die Atmosphäre vermieden wird. Mit dieser Technologie können große Mengen Wasserstoff produziert und gleichzeitig „Netto-Null-Emissionen“ erreicht werden, sodass das Beste aus beiden Welten vereint werden kann.

【Wissenschaft】Sequentielle Trennung + schrittweise Sammlung + hochreine Erfassung = Netto-Null-Emissionen

Wie also gelang den Forschern dieser Durchbruch im Prinzip der Wasserstoffproduktion?

Zunächst wird Erdgas durch die sequenzielle Trennung der Zielprodukte Wasserstoff und Kohlendioxid verbraucht und durch Reaktionen umgewandelt, um mehr Wasserstoff und Kohlendioxid zu produzieren. Dabei erhöht sich der Anteil des Erdgasverbrauchs mit jedem abgeschlossenen Wasserstoffproduktions- und Dekarbonisierungsschritt schrittweise, bis schließlich eine 100%ige Umstellung erreicht ist.

Zweitens können durch die Kombination des in jedem Zwischentrennschritt erzeugten Wasserstoffs und Kohlendioxids hochreine Wasserstoff- bzw. Kohlendioxidprodukte gewonnen und eine optimale Umwandlung der Erdgasrohstoffe in Wasserstoff- und Kohlendioxidprodukte erreicht werden. Gleichzeitig können durch die sequentielle Trennung der beiden Produkte die für die Trennung günstigsten Druckbedingungen geschaffen und so der Energieverbrauch für die Trennung der Produkte minimiert werden.

Schematische Darstellung der Experimentalplattform

(Bildquelle: Referenz [2])

Im Gegensatz zur herkömmlichen Wasserstofferzeugungstechnologie verfolgt dieses neue Prinzip nicht gezielt die einmalige Umwandlung von Erdgas in Wasserstoff und erfordert daher keine sehr hohe Reaktionstemperatur. Durch die Umstellung auf eine schrittweise Wasserstoffproduktion und die Optimierung des entsprechenden Prozesses kann jedoch der gleiche 100-prozentige Umwandlungseffekt von Erdgas erreicht werden wie bei der herkömmlichen Wasserstoffproduktion.

Stabilität der Gasproduktion und des H2/CO2-Verhältnisses über 6000 Zyklen

(Bildquelle: Referenz [2])

Der größte Beitrag dieser Technologie zur Emissionsreduzierung besteht darin, dass sie einerseits eine direkte Abscheidung von hochreinem Kohlendioxid und eine Reduzierung der Kohlendioxidemissionen ermöglicht, andererseits Kohlendioxid aus einem schwer zu behandelnden Abgas in eine Ressource mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten umwandelt.

Beispielsweise kann es in Ölquellen injiziert werden, um die Rohölausbeute zu steigern, oder es kann zur Lagerung direkt unter die Erde injiziert werden. es kann als chemischer Rohstoff sowie in der Lebensmittelverarbeitung und -konservierung, für medizinische Zwecke, zur Brandbekämpfung usw. verwendet werden. Mit Blick auf die zukünftige, von erneuerbaren Energien dominierte Energiestruktur besteht eine weitere wichtige Möglichkeit zur Umwandlung von Kohlendioxid darin, es durch Ökostrom (z. B. durch Photovoltaik) in Chemikalien mit hoher Wertschöpfung (wie Ameisensäure, Methanol usw.) umzuwandeln und daraus eine breite Palette von Industrieprodukten herzustellen.

Diese neue Technologie bietet zwei wesentliche Vorteile: die Abscheidung von hochreinem Kohlenstoff und die Komplementarität mit erneuerbaren Energien. Es wird dazu beitragen, die Verbreitung erneuerbarer Energien in den Bereichen Energie, chemische Industrie usw. zu beschleunigen.

[Hoffnung] „Netto-Null-Emissionen“ werden ihre Stärke zeigen!

Die Hauptbedeutung dieser Technologie zur „Netto-Null-Emission“ von Wasserstoff unter milden Bedingungen besteht darin, dass sie vor dem Hintergrund der „dualen Kohlenstoffziele“ und der großen nationalen Nachfrage nach einer energischen Entwicklung erneuerbarer Energien das traditionelle Modell der extensiven Energienutzung und Wasserstoffproduktion verändert und eine nachhaltige Wasserstoffproduktionstechnologie entwickelt, die den Besonderheiten der Energiestruktur meines Landes gerecht wird.

Das neue Prinzip der geordneten Trennung von Wasserstoff- und Kohlendioxidprodukten hat dieser neuen Technologie in vielen Bereichen Durchbrüche ermöglicht, beispielsweise bei der Reduzierung der Wasserstoffproduktionstemperatur und des Energieverbrauchs, der Integration von Wasserstoffproduktion und Dekarbonisierung sowie der Miniaturisierung der Ausrüstung, was eine neue Perspektive für die Untersuchung der gesamten Kette der Wasserstoffenergietechnologie bietet.

Schematische Darstellung eines verteilten, sauberen und sich ergänzenden Energiesystems mit mehreren Energien (selbstgebaut)

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Man geht davon aus, dass diese Technologie den Wandel der Wasserstoffproduktionsideen von der derzeit zentralisierten, groß angelegten hin zu einer dezentralen, klein angelegten und objektorientierten Produktion vorantreiben wird, was für die groß angelegte Entwicklung einer kohlenstoffarmen, nachhaltigen Wasserstoffenergietechnologie von großer Bedeutung ist.

Erstens kann die neue Technologie die hohen Kohlendioxidemissionen, die mit der Wasserstoffproduktion auf Basis kohlenstoffhaltiger Energie einhergehen, deutlich reduzieren, den Energieverbrauch senken und die Energienutzungseffizienz verbessern, wodurch die Wasserstoffenergie auf Basis kohlenstoffhaltiger Energie nachhaltig wird.

Zweitens: Als Reaktion auf die Herausforderungen, die derzeit in allen Gliedern der gesamten Kette der Wasserstoffenergietechnologie auftreten, nutzt diese Technologie Erdgas als Träger, um die Probleme der „Produktion“, „Speicherung“ und des „Transports“ von Wasserstoffenergie besser zu lösen und dadurch die Lager- und Transportkosten sowie die Sicherheitsrisiken der Wasserstoffenergie deutlich zu senken und die Entwicklung, Anwendung und Popularisierung der Wasserstoffenergie zu beschleunigen.

Drittens kann die Idee einer dezentralen Wasserstoffproduktion auf Erdgasbasis die vorhandene Infrastruktur der Gaspipeline-Standorte voll ausnutzen und die Investitionskosten erheblich senken.

Schließlich deckt sich die dezentrale Wasserstoffproduktion mit den dezentralen Eigenschaften kohlenstoffarmer Energieträger wie Solarenergie und industrieller Abwärme. Durch die Kombination beider lässt sich nicht nur die Nachhaltigkeit der Wasserstoffenergie weiter verbessern, sondern auch die dominante Stellung der kohlenstoffhaltigen Energie nutzen, um die Aufnahmekapazität erneuerbarer Energien zu erhöhen.

Abschluss

Die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen ist ein gemeinsames Ziel der fossilen und der erneuerbaren Energietechnologien. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen wir von der tatsächlichen Situation der Energiestruktur ausgehen, sowohl daran arbeiten, „Geld zu sparen“ als auch „Einnahmen zu steigern“, und effiziente, kohlenstoffarme Technologien zur Nutzung fossiler Energie sowie stabile, kostengünstige Technologien für erneuerbare Energien entwickeln.

Daher müssen wir auf der Grundlage einer sauberen und effizienten Nutzung fossiler Energieträger (Kohle, Erdgas usw.) diesen Vorteil unserer beherrschenden Stellung weiter ausnutzen, um die Entwicklung erneuerbarer Energieträger wie der Solarenergie zu beschleunigen und gleichzeitig die Dekarbonisierung der fossilen Energietechnologien zu erreichen, um so eine Win-Win-Situation für beide Seiten zu schaffen und gleichzeitig die Energiewende zu unterstützen.

Bei der „dualen Kohlenstoffstrategie“ handelt es sich keineswegs um einen einseitigen Kampf in einem bestimmten Bereich oder einer bestimmten Branche, sondern sie erfordert ein gemeinsames Vorgehen aller gesellschaftlichen Sektoren, um gemeinsam nach grünen und nachhaltigen Entwicklungslösungen zu suchen. In diesem Prozess übernehmen Wissenschaftler die wichtige Aufgabe, neue Ideen zu entwickeln und zu neuen Durchbrüchen zu gelangen. Der Weg vor Ihnen ist lang, aber rosig, und Sie werden Ihr Ziel erreichen, wenn Sie weiter voranschreiten.

Quellen:

1. Liu Shangze, Yu Qing, Guan Jian. Aktueller Stand und Perspektiven der Wasserstoffenergienutzung und industriellen Entwicklung[J]. Energie und Energieeinsparung, 2022, Nr. 206 (11): 18-21.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2022.11.038.

2. Yunyi Ling, Hongsheng Wang, Mingkai Liu et al. Sequenzielle, trennungsgetriebene solare Methanreformierung zur H2-Gewinnung unter milden Bedingungen[J]. Energieumwelt. Sci., 2022, 15, 1861. DOI: 10.1039/d1ee03870b.