Wasserstoff und Methan – zusammen transportieren, getrennt verwenden
Grüner Wasserstoff soll in der künftigen Energieversorgung eine wichtige Rolle spielen. Offen ist aber noch die Frage, wie er zu den Verbrauchern gelangt. Derzeit wird Wasserstoff zum größten Teil über die Straße mit speziellen Wasserstofftrailern unter hohem Druck im gekühlten und flüssigen Zustand an seinen Bestimmungsort – zumeist Industriestandorte – transportiert.
Um den Hochlauf von Wasserstoff optimal zu gestalten, kann Wasserstoff dem vorhandenen Gasnetz beigemengt werden. Dies ist vor allem eine einfache Möglichkeit Wasserstoff schnell zu Verbrauchern zu bringen. Immerhin hat das österreichische Gasnetz eine Länge von 44.000 km. Auch Österreichs Untergrundspeicher mit einer Kapazität von 90 Terawatt-Stunden könnten große Mengen Wasserstoff langfristig speichern.
Die Forschungsprojekte der ÖVGW im Rahmen der Initiative „Greening the Gas“ und der RAG AG haben gezeigt, dass bereits heute das Gasnetz und die Untergrundspeicher weit mehr als den derzeit zulässigen Wasserstoff-Anteil von 4% aufnehmen können, ohne die Sicherheit der Gasinfrastruktur und der Kundenendgeräte negativ zu beeinträchtigen.
Neben den zahlreichen Vorteilen der Nutzung des Gasnetzes für die Verteilung von Wasserstoff gibt es auch Beschränkungen. In Ausnahmefällen benötigen Anwendungen, z.B. in der Stahlindustrie, an Wasserstofftankstellen oder Brennstoffzellen, „hochprozentigen“ Wasserstoff. Daher wird an Verfahren gearbeitet, um Methan-Wasserstoffgemische aus dem Gasnetz wieder bedarfsgerecht in diese beiden Bestandteile zu trennen.
Hauchdünne Kohlenstoff-Membran ermöglicht Trennung
Das deutsche Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS hat nun eine Methode auf Basis der Membran-Technologie für die Abtrennung von Wasserstoff aus dem Gasgemisch entwickelt. Ähnliche Verfahren werden bereits jetzt eingesetzt, um bei der Aufbereitung von Biogas in Biomethan Kohlendioxid aus dem Gasgemisch zu entfernen.
Bei der von Fraunhofer IKTS vorgestellten Methode wird eine hauchdünne Kohlenstoffschicht, die durch die Verkettung von Makromolekülen hergestellt wurde, auf einem porösen, keramischen Trägermaterial aufgebracht. Die Schicht dient als Membran, die Erdgas und Wasserstoff voneinander trennt. Möglich wird es dadurch, da die Kohlenstoffschicht Poren mit einem Durchmesser von weniger als 1 Nanometer (also weniger als 1 Millionstel-Millimeter) aufweist, die sich dadurch gut für die Gastrennung eignen.
Funktionsprinzip einer Membran: Eingangsseitig wird die Gasmischung auf die Membran aufgegeben. Die kleinen Wasserstoffmoleküle passieren die Membran und das größere Methanmolekül wird zurückgehalten.(© Andreas Junghans GmbH).
Im Trennungsprozess werden Wasserstoff und Erdgas durch die röhrenförmigen Module getrieben. Dabei werden die kleineren Wasserstoffmoleküle durch die Poren der Membran gedrückt und gelangen als Gas nach außen, die größeren Methanmoleküle hingegen bleiben zurück. „Auf diese Weise erhalten wir Wasserstoff mit einer Reinheit von 80 Prozent. Die verbliebenen Erdgasreste filtern wir in einer zweiten Trennstufe aus. So erzielen wir eine Reinheit von über 90 Prozent“, erklärte Dr. Adrian Simon, Gruppenleiter am Fraunhofer IKTS.
Emissionsfreie Strom- und Wärmeversorgung in Gebäuden
Wasserstoff mit diesem Reinheitsgrad lässt sich für verschiedene Anwendungen nutzen, beispielsweise in der Stahlproduktion, um fossile Energieträger zu ersetzen. Auch bei der klimafreundlichen Energieversorgung von Gebäuden ist Wasserstoff eine attraktive Option. Bei der Verbrennung entstehen Strom und Wärme, als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an. So könnten beispielsweise Blockheizkraftwerke (BHKW) einzelne Gebäudekomplexe oder Stadtviertel mit sauberem Strom und Wärmeenergie beliefern. Auch der Einsatz in Gasthermen ist denkbar.
Derzeit arbeiten die Forschenden des Fraunhofer IKTS daran, die Technik so zu skalieren, dass auch größere Volumina Erdgas und Wasserstoff getrennt werden können. Hierfür ist der Bau von Prototypen bereits in Planung.