Gaswirtschaft forscht an Verfahren, um Wasserstoff-Erdgas-Gemische wieder zu trennen – Neues Membranverfahren für viele sensible Industrieanwendungen nutzbar

Gastautor Portrait

Cornelia Müller-Pagel

Leiterin Grüne Gase, VNG AG

Die studierte Volljuristin Cornelia Müller-Pagel arbeitet seit 10 Jahren in verschiedenen Funktionen bei der VNG AG und verantwortet seit September 2019 die neue Abteilung Grüne Gase. In dieser Abteilung bündelt der VNG-Konzern seine Grüne Gase Aktivitäten und unterstützt die etablierten Geschäftsbereiche dabei, Grüngasprojekte zu starten und umzusetzen. Damit versteht sich die Abteilung als personeller Unterstützer, interne Netzwerk-Manager, Koordinator, Impulsgeber aber auch Projektentwickler für Grüne Gase im VNG-Konzern.

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06. April 2020

Die Bedeutung von Wasserstoff für die Energiewende

Wasserstoff ist sexy und jeder will ihn haben. Durch das Elektrolyseverfahren kann grüner, CO2-freier Wasserstoff erzeugt werden. Blauer und türkiser Wasserstoff können zudem aus Erdgas gewonnen werden und sind durch die anschließende Speicherung (CCS) oder Nutzung (CCU) des abgespaltenen Kohlenstoffs CO2-neutral. Vor allem die Industrie hat das Thema als Heilsbringer einer gelingenden Energiewende für sich entdeckt und sucht nach wirtschaftlichen Lösungen, um Wasserstoff an ihren Standorten verfügbar zu machen. Aber auch im Wärme- und Verkehrssektor kann der Energieträger entscheidend dazu beitragen, die Dekarbonisierung rasch und kosteneffizient zum Erfolg zu führen.

Der Transport von Wasserstoff

Perspektivisch könnte die bestehende Gasinfrastruktur sogar in Teilen in eine reine Wasserstoffinfrastruktur umgewidmet werden.

Cornelia Müller-Pagel

Weit verbreitet ist heute der Wasserstofftransport über Trailer in Gasdruckbehältern oder kryogenen Flüssigtanks. Diese Transportart eignet sich in der Regel aber nur für kürzere Entfernungen und geringe Wasserstoffmengen, die jedoch für die perspektivisch benötigten Mengen in den angedachten Industrieanwendungen (z.B. in der Stahlindustrie oder in Kraftwerken) nicht annähernd ausreichend wären. Allein in der Stahlproduktion könnte durch die Substitution von Kohle bzw. Koks ein Wasserstoffbedarf in Höhe von 2,4 Millionen Tonnen pro Jahr resultieren.

Alternative Lösungen müssen her, damit Wasserstoff in Zukunft sektorenübergreifend und möglichst weiträumig für die Dekarbonisierung des Energiesystems genutzt werden kann. Hier bietet sich neben einer reinen Wasserstoffleitungsinfrastruktur, wie sie in Insellösungen in Deutschland schon an verschiedenen Standorten (z.B. im mitteldeutschen Chemiedreieck mit einer Länge von 150 km) besteht, auch die Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur (Gastransportnetz und Untergrundgasspeicher) an.

Das deutsche Gasnetz verfügt über eine Länge von über 500.000 km sowie über 47 Gasspeicher (230 TWh). Perspektivisch könnte die bestehende Gasinfrastruktur sogar in Teilen in eine reine Wasserstoffinfrastruktur umgewidmet werden. Die deutschen Fernleitungsnetzbetreiber haben hierzu unlängst einen entsprechenden Vorschlag unterbreitet.

Limitierungen für die Wasserstoffbeimischung

Bis dahin ist es jedoch noch ein langer Weg, sodass Zwischenlösungen erforderlich sind. Die Beimischung von Wasserstoff ins Erdgasnetz ist bereits heute technisch möglich und kommt daher als solche infrage. Derzeit sind Wasserstoffkonzentrationen von 2 bis zu 10 Vol.-% möglich. Der DVGW hat im April 2019 gefordert, das Regelwerk für die Einspeisung ins Gasnetz so aufzustellen, dass eine Wasserstoffbeimischung in Höhe von 20 Vol.-% ermöglicht wird. Im Oktober des letzten Jahres kündigte der Verteilnetzbetreiber Avacon an, in einem Netzabschnitt in Sachsen-Anhalt erstmals 20 Vol.-% Wasserstoff beizumischen.

Einer höheren Beimischung von Wasserstoff steht jedoch in vielen Fällen der Einsatz beim Gasanwender im Weg. So können etwa Tanks in CNG-Fahrzeugen derzeit nur einen Grenzwert von 2 Vol.-% Wasserstoff aufnehmen. Gleichzeitig stellt eine Wasserstoffbeimischung für Kunden, die reinen Wasserstoff benötigen, keine Lösung dar.

Funktionsweise des Membranverfahrens

Für die Abtrennung von Wasserstoff aus dem Erdgas-/Wasserstoffstrom befindet sich die Technologie auf einer deutlich niedrigeren Entwicklungsstufe.

Cornelia Müller-Pagel

Im Falle eines Verzichts auf separate Wasserstoffnetze ist zum Schutz sensibler Anlagen also entweder eine Reduktion der Wasserstoff- oder der Erdgaskonzentration des gemeinsamen Gasstroms erforderlich.

Die Reduktion des beigemischten Wasserstoffs kann über die chemische Umwandlung des enthaltenen Wasserstoffs in synthetisches Methan oder die Abtrennung bzw. Entfernung aus dem Gasgemisch erzielt werden. Bei einer chemischen Umwandlung wird der Wasserstoffanteil durch die Zufuhr von Kohlenstoffdioxid vollständig in Methan umgewandelt. Wasserstoffsensible Anwendungen können dadurch vor einer zu hohen Wasserstoffkonzentration geschützt werden, ohne dass der Wasserstoffbestandteil als „neuer“ Gasstrom abgetrennt werden muss. Es besteht allerdings auch keine Möglichkeit einer weiteren Wasserstoffverwertung, beispielsweise für Brennstoffzellenanwendungen, Wasserstofftankstellen oder in der chemischen Industrie.

Eine derartige Wasserstoffabtrennung aus dem Gasstrom ist schon heute u.a. über das sogenannte Membranverfahren grundsätzlich technisch realisierbar. Dabei ermöglicht eine halbdurchlässige Membran die Trennung einzelner Gasbestandteile, indem sie für die eine Komponente (Erdgasstrom) undurchlässig ist und die andere Komponente (Wasserstoffstrom) hindurchtreten lässt.

Auch wenn durch das Verfahren eine sehr hohe Reinheit des Wasserstoffs erzielt wird, könnte für verschiedene Anwendungen eine Nachreinigung erforderlich sein. Während etwa für eine stoffliche Nutzung und Brennstoffzellen meist hochreiner Wasserstoff benötigt wird, ist die Anwendung in Wasserstoffkraftwerken oder der Stahlindustrie mit vergleichsweise moderaten Anforderungen an die Wasserstoffreinheit verbunden. Für die Entfernung des Wasserstoffs aus dem Gasgemisch mittels Membranverfahren kommen organische Membranen (Polymermembranen), anorganische Membranen (Keramik-, Metall-, Kohlenstoffmembranen) oder Kombinationen dieser Typen infrage.

Im Vergleich zur Methanisierung ist die Membrantechnik mit einer höheren technologischen Reife und geringeren Kosten verbunden und wird daher derzeit für den Schutz von Anlagen bevorzugt im Rahmen erster Pilotprojekte erforscht. Im Anwendungsfeld „Erdgas“ wurden Membranen bisher hauptsächlich zur CO2-Abtrennung im Zusammenhang mit der Aufbereitung und Einspeisung von Biogas eingesetzt. Für die Abtrennung von Wasserstoff aus dem Erdgas-/Wasserstoffstrom befindet sich die Technologie auf einer deutlich niedrigeren Entwicklungsstufe. Daher muss das Membranverfahren insbesondere für diese Anwendung weiterentwickelt und geeignete Membranmaterialien erforscht werden.

Das Engagement von VNG

In Zusammenarbeit mit der DBI Gas- und Umwelttechnik Leipzig GmbH und weiteren europäischen Partnern beteiligt sich das unabhängige VNG-Tochterunternehmen ONTRAS Gastransport GmbH an der Errichtung einer Pilotanlage zur Erdgas-/Wasserstofftrennung in Prenzlau. Unter Realbedingungen soll die Funktionsweise und Eignung von verschiedenen Membranmaterialien und Materialkombinationen zum Schutz wasserstoffsensibler Anwendungen untersucht werden. Bereits im 2. Quartal 2020 sollen verschiedene Membrane und Materialgruppen zur Verfügung stehen. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf den Trenneigenschaften der Membranmaterialien, ihrer Langzeitstabilität sowie der erzielbaren Reinheit des abgetrennten Wasserstoffstroms.

Mit Technologieoffenheit und einer Gasinfrastruktur, die die Sektoren immer effizienter miteinander verbindet, gestalten die Unternehmen der VNG-Gruppe mit diesen und weiteren Projekten den Weg in ein dekarbonisiertes Energiesystem auch in Zukunft mit. Mit dem Gasleitungsnetz der Tochtergesellschaft ONTRAS und den Untergrundgasspeichern der VNG Gasspeicher GmbH verfügt die Gruppe in den neuen Bundesländern über einen historisch gewachsenen Standortvorteil. Der Grund: Zu DDR-Zeiten wurde sogenanntes Stadtgas, das bis zur Hälfte aus Wasserstoff bestand, durch die Leitungen transportiert. Diese Leitungen sind heute noch intakt und können für Wasserstoff-Beimischungen und den Aufbau lokaler Wasserstoff-Cluster ertüchtigt werden.

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    Wilhelm Eilers

    vor 2 Monaten

    Trotz aller energetischen Verluste m.E. um ein Vielfaches sinnvoller, als den derzeit nicht speicherbaren Strom durch die Lande zu schicken und jeweils weitere Kraftwerksleistung für den Fall der Dunkelflaute bereithalten zu müssen.

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