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Dampfreformierung

Definition: die Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen und Wasserdampf

Allgemeinerer Begriff: Reformierung

Englisch: steam reforming

Kategorien: Energieträger, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.05.2013; letzte Änderung: 25.10.2021

URL: https://www.energie-lexikon.info/dampfreformierung.html

Die Dampfreformierung ist ein chemisches Verfahren, bei dem ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit Wasserdampf reagiert. Der Sauerstoffgehalt des Wasserdampfs führt zu einer teilweisen Oxidation des Brennstoffs, und es entsteht Wasserstoff (H2). Beispielsweise findet die folgende Reaktion statt, wenn Erdgas als Brennstoff (mit dem Hauptbestandteil Methan = CH4) eingesetzt wird:

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Die genannte chemische Reaktion ist deutlich endotherm (ΔH = +206 kJ/mol), d. h. sie verbraucht Wärme. Sie ist nur bei erhöhter Temperatur möglich und kann sonst auch in der umgekehrten Richtung stattfinden. Häufig werden die Reaktionen durch einen Katalysator unterstützt.

Die benötigte Hochtemperaturwärme kann durch Verbrennung eines Teils des Brennstoffs geliefert oder auch von außen zugeführt werden. Denkbar ist die Verwendung konzentrierter Solarthermie, von Hochtemperatur-Kernreaktoren oder von Abwärme aus Verbrennungsmotoren. So lässt sich durch die Dampfreformierung ein Gasgemisch gewinnen, welches einen höheren Energieinhalt als der eingesetzte Brennstoff hat.

Wassergas-Shift-Reaktion

Die Ausbeute an Wasserstoff steigt weiter, wenn das Kohlenmonoxid (CO) weiter zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert wird:

CO + H2O → CO2 + H2

Diese Reaktion wird als Wassergas-Shift-Reaktion bezeichnet und ist leicht exotherm (ΔH = −41 kJ/mol), d. h. sie setzt etwas Wärme frei.

Die Kombination beider genannter Reaktionen resultiert effektiv in der folgenden Umsetzung:

CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2

Anwendungen der Dampfreformierung

Die Dampfreformierung wird in großem Maßstab eingesetzt, um Wasserstoff zu gewinnen – beispielsweise zur Verwendung in Erdölraffinerien. Sie ist auch mit Biomasse anwendbar, also zur Herstellung von Biowasserstoff durch Biomassevergasung geeignet. Der Wasserdampfanteil kann dabei von der Biomasse selbst stammen oder zumindest teilweise von außen zugegeben werden. Auch bei der Kohlevergasung wird diese Art von Reaktion eingesetzt.

Eine technische Anlage, die der Dampfreformierung dient, wird als Reformer oder Dampfreformer bezeichnet.

Energietransport durch Dampfreformierung und Methanisierung

Eine der Ideen für die Nutzung von Hochtemperaturreaktoren (also bei hohen Temperaturen betriebenen Kernreaktoren) war es, in großem Maße Energie zu transportieren mit dem folgenden Ansatz:

  • Aus Erdgas würde durch Dampfreformierung unter Zufuhr von Wärme vom Reaktor (bei ca. 800 °C bis 1000 °C) ein Synthesegasgemisch erzeugt.
  • Dieses könnte per Pipeline zu Verbrauchszentren transportiert werden, wo man die umgekehrte (also exotherme) Reaktion der Methanisierung durchführen würde. Dabei würde nutzbare Wärme frei, und zwar auf einem Temperaturniveau von ca. 650 °C bis 700 °C, welches für die meisten Wärmeanwendungen (auch industrielle) ausreichend hoch wäre, ebenso für die teilweise Umwandlung in elektrische Energie. Für die Feinverteilung der Endenergie (Wärme) könnte Wasserdampf oder Heißwasser in Nahwärmenetzen verwendet werden.
  • Das dabei wieder gebildete Methan würde zurück zum Reaktor transportiert, um erneut reformiert zu werden.

Es handelt sich also um den Transport chemischer Energie in einem Kreislauf, der im Prinzip klimaneutral betrieben werden könnte.

Für den Rücktransport des Methans wäre auch das bisherige Erdgasnetz nutzbar; denkbar wäre auch, dass effektive Erdgas bei den Verbrauchern durch das Synthesegas ersetzt würde, dafür aber frisches Erdgas für die Reformierung verwendet würde. Das wäre dann zwar kein geschlossener Kreislauf mehr, aber von der Wirkung her dasselbe wie ein geschlossener Kreislauf zusätzlich zum bisherigen Erdgasnetz.

Im Vergleich zu dem technisch zunächst simpler wirkenden Ansatz, elektrische Energie zu gewinnen und damit dann Elektrowärme bei den Verbrauchern, hätte die Technologie mit Dampfreformierung und Methanisierung einen grob geschätzt doppelt so hohen Wirkungsgrad. Anstelle von Stromnetzen bräuchte man hierfür leistungsfähige Pipelines.

Als Alternative zu einem Kernreaktor könnte man auch Hochtemperaturwärme aus Sonnenstrahlung verwenden, wie sie mit Solar-Tower-Anlagen gewinnbar ist. In diesem Zusammenhang wäre auch besonders nützlich, dass die erzeugte chemische Energie besser speicherbar wäre. Man beachte, dass allein schon das Leitungsnetz eine beachtliche Speicherkapazität aufweist. Mit zusätzlichen Gasspeichern könnten sogar auch saisonale Speicher realisiert werden.

Bislang konnten solche Ansätze allerdings nicht weit in Richtung von praktischen Anwendungen gelangen.

Alternative Methoden basierend auf Pyrolyse

Andere Methoden zur Herstellung von Wasserstoff basieren auf Pyrolyse, also einer thermischen Zersetzung z. B. von Wasser oder von Kohlenwasserstoffen. Im Falle von Wasser als Ausgangsstoff wird aber sehr viel Energie benötigt, da Wasser eine hohe Bindungsenergie aufweist. Wesentlich günstiger ist dies bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen. Beispielsweise basiert das Kværner-Verfahren auf der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma, welches mithilfe elektrischer Energie in einem Plasmabrenner erzeugt wird.

Der Vorteil von Methoden der Pyrolyse besteht darin, dass der anfallende elementare Kohlenstoff leichter klimafreundlich zu verwenden oder entsorgen ist im Vergleich zu dem CO2, dass bei der Dampfreformierung anfällt; letzteres müsste erst abgetrennt und sequestriert werden, um eine klimafreundliche Methode zu erhalten.

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