HydroGIn - Hydrogen Generator für die Industrie

Das Projekt „HydroGIn-Hydrogen Generator für die Industrie“ wird durch das BMBF im Rahmen des Programms „KMU-innovativ Ressourcen- und Energieeffizienz“ Schwerpunkt „Energieeffizienz/Klimaschutz“ unter der Projektnummer 01LY1410A gefördert.

Projektlaufzeit: 01.12.2015 - 31.05.2021

Im Vorhaben bearbeiten eine universitäre Forschungseinrichtung und drei KMU ein FuE-Projekt zur Herstellung von Wasserstoff für Bedarfsträger aus der Industrie und dem Verkehrssektor. Die FuE-Thematik ist auf einen Zukunftsbereich der industriellen Entwicklung fokussiert. Diese Merkmale und die starke Präsenz von KMU schaffen einen engen Bezug zu den förderpolitischen Zielen des BMBF-Förderprogramms „KMU-innovativ“. Mit der Bearbeitung des Vorhabens werden die beteiligten KMU in einem zukunftsorientierten Feld der Spitzenforschung tätig und damit in ihrer Kompetenz und ihrem FuE-seitigen Know how gestärkt und „ertüchtigt“. Mit den Ergebnissen können sie Wettbewerbsvorteile erlangen und durch den Transfer der Technologie Umsatz und Gewinn steigern. Entsprechend gängiger Praxis bei den drei innovationsorientierten KMU soll ein Teil davon wieder in die eigene FuE fließen. Auch diese Aspekte treffen das Anliegen von „KMU-innovativ“. Neben den drei beteiligten KMU werden zahlreiche KMU die Ergebnisse mittels Technologietransfer nutzen und ihre eigene Position stärken können, denn die Zielbranchen für den Ergebnistransfer sind KMU-dominiert. Damit wird im Sinne des Programms der KMU-Sektor insgesamt gestärkt.

DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH
Multi Industrieanlagen GmbH
Technische Universität Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen

In die Entwicklung sollen innovative Konzepte einfließen, die auf Basis aktueller F&E-Ergebnisse entwickelt wurden und nicht in kommerziell verfügbaren H₂-Erzeugersystemen anderer Leistungsklassen zu finden sind. Die geplante Integration dieser Innovationen bietet eine deutlich verbesserte Effizienz gegenüber bestehenden Systemen, u. a. gekennzeichnet durch einen geringeren Energieverbrauch, eine Verbreiterung des Spektrums an Einsatzstoffen sowie längeren Betriebsintervallen zwischen den erforderlichen Unterbrechungen für die Wartung. Die beteiligten KMU partizipieren hierbei direkt an den Ergebnissen aus Spitzenforschungsthemen und sichern sich hierdurch technologische Vorteile, was mittel- und langfristig zu einem hohen Marktanteil führt.

Kompaktheit:

Die gesamte H₂-Erzeugung und -konditionierung wird in einem kompakten Modul zusammengefasst. Sämtliche Prozessgasschritte unterliegen daher keiner räumlichen Trennung, sondern stehen in engem Kontakt zueinander, wodurch eine optimale wärmetechnische Kopplung der endo- und exotherm ablaufenden Prozesse bei minimalen Prozessgaswegen gewährleistet wird.

Prinzip der „überfahrenen“ Prereformingstufe:

Beim Prereforming werden höhere Kohlenwasserstoffe, die eine hohe Affinität zu Ausbildung kohlenstoffhaltiger Ablagerung bei der Dampfreformierung besitzen, mit Wasserdampf an einem Katalysator bei niedrigen Temperaturen in ein H₂/CH₄-reiches Gas umgewandelt, welches der eigentlichen Dampfreformierung zugeführt wird. Im geplanten Erzeugersystem wird eine gekürzte Prereformingstufe integriert. Diese wird kinetisch ausgelegt, d.h. es ist nicht das Ziel die thermodynamische Gleichgewichtszusammensetzung zu erreichen, sondern lediglich höhere KW in unbedenkliche C1-Spezies und H₂ zu konvertieren.

Eduktvorwärmung durch überhitzten Wasserdampf:

Der Prozesswasserdampf wird so stark überhitzt, dass das eigentliche Prozessgas erst kurz vor der eigentlichen Reaktionszone zugegeben wird. Der zugeführte Kohlenwasserstoff wird hierdurch einer minimalen Verweilzeit ausgesetzt. Spaltreaktionen der höheren Kohlenwasserstoffe im Feedgas an katalytisch aktiven Rohrwandmaterialien werden reduziert und damit die unterbrechungsfreie Betriebsdauer verlängert, was mit einem geringeren Wartungsaufwand einhergeht.

Eine Wasserstofferzeugung mit dem HydroGIn-System direkt beim Verbraucher bietet die Möglichkeit Effizienzen zu steigern und Kosten zu senken, eine permanente Herausforderung in energie- und ressourcenintensiven Wirtschaftsbereichen, wie der metallverarbeitenden Industrie, der Glasverarbeitung sowie in der Halbleiterindustrie. Eine Anlage zur dezentralen H₂-Produktion, wie das HydroGIn-System, bietet hierbei ein signifikantes Potenzial an Einsparungen von Ressourcen und Energie, da energieintensive Zwischenschritte wie Kompression, Verflüssigung und Transport vermieden werden. Kann dies realisiert werden, ist somit ein signifikanter Rückgang an Ressourcenbedarf und CO₂-Emissionen verbunden. Besonders im Verkehrssektor bieten sich zusätzliche Absatzwege. Bei Erfolg von Brennstoffzellenfahrzeugen bzw. Fahrzeugen mit H₂-Verbrennungsmotoren, die eine langstreckentaugliche Alternative zu Elektrofahrzeugen darstellen, ist eine flächendeckende Wasserstoffversorgung erforderlich, für die das angestrebte System geeignet ist.

Das HydroGIn-Konzept offeriert ein hohes Einsparpotential bei ressourcen- und energieintensiven Prozessen in der wasserstoffnutzenden Industrie, die sich aktuell Wasserstoff in der beschriebenen Leistungsklasse kostenintensiv anliefern lassen müssen. Das Einsparpotential betrifft hierbei die Prozesse Verdichtung bzw. Verflüssigung sowie den Transport des Wasserstoffes bei zentraler Produktion.

Die folgende Tabelle beschreibt exemplarisch das jährliche Einsparpotential des HydroGIn-Systems bei Volllast gegenüber der Anlieferung der gleichen H₂-Menge aus zentraler großtechnischer Produktion.

Tabelle 1: CO₂- und Energieeinsparpotential des HydroGIn-Systems im Vergleich zur Anlieferung von Druckwasserstoff (700 bar)

1) Strombedarf HydroGIn-Anlage 15kW [1]
2) spez. Strombedarf H₂-Kompression; 0,548 kWh/m³ (i.N.) [1]
3) spez. Dieselbedarf H₂-Transport: 0,101 kWh/m³ (i.N.) [1]
4) Berechnungsmodell GEMIS-Datenbank. Direkte Emissionen zzgl. vorgelagerte Emissionen zzgl. Emissionen durch weitere klimarelevante Gase (Kohlenwasserstoffe durch unvollständige Verbrennung oder durch Entweichen aus undichten Förderanlagen). [2, 3]

_{Quellen:
[1] DBI-GUT, eigene Berechnungen
[2] Gemis Datenbank, http://www.iinas.org/gemis-de.html
[3] Bayerisches Landesamt für Umwelt, Leitfaden für effiziente Energienutzung in Industrie und Gewerbe, 2009}

Das HydroGIn-System beschreibt einen Wasserstoffbedarf, der am Markt kaum verfügbar ist und durch die industriellen Anwender aktuell mittels kostenintensiver H₂-Anlieferungen in Form von Druckgasflaschen oder Tankwagen abgedeckt werden muss.

Das geplante System verfügt über die Möglichkeit sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich bei Voll- und/oder Teillast betrieben werden zu können. Die Betriebsweise hängt hierbei vom jeweiligen Anwender ab, wobei eine minimale jährliche Wasserstoffproduktionsrate zum Erreichen der Wirtschaftlichkeit einzuhalten ist.

Für folgende Anwendungen besitzt das System HydroGIn Relevanz:

• Schutzgasanwendungen in der Ofentechnik
• Elektroindustrie
• Halbleiterindustrie
• Schweißen und Schneiden
• Wasserstofftankstellen

Unter dem nachfolgendem Link können die einzelnen Projektfortschritte chronologisch nachverfolgt werden:

>>> Interner Bereich <<<