Wasserstoff aus Biogas – eine echte Alternative zur Elektrolyse?

„Der reine Wasserstoffmarkt springt nur sehr schwer an. Viele Projekte liegen auf Eis. Es wird noch eine Weile dauern, bis Wasserstoff richtig marktfähig wird. Das macht alternative Wasserstoffquellen interessant“, sagt Uwe Pahl, CTO vom Tech-Startup AMBARtec. Das Verfahren, das er gemeinsam mit Projektpartnern vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) im Forschungsprojekt HyCS-Biomass einsetzt, könnte die Versorgungslage mit Wasserstoff verbessern und Abhängigkeiten verringen.

Wasserstoff mithilfe von Eisenoxid speichern – sicherer Transport und günstigere Lagerung

Die dafür eingesetzte Technologie basiert auf dem Eisen-Dampf-Verfahren und wurde von AMBARtec entwickelt, um Wasserstoff in Containermodulen speichern zu können. Der eingesetzte Speicherbehälter ist dabei mit Kugeln aus Eisenoxid gefüllt – sogenannten Eisennuggets. Die Einleitung von Wasserstoff bei hohen Temperaturen entzieht dem Eisenoxid den Sauerstoff, das schließlich zu Eisen reagiert. Als Nebenprodukt entsteht Wasserdampf, der aus dem Speicher abgeleitet wird. „Was wir also speichern, ist die Energie des Wasserstoffs“, so Pahl. 

Das biete vor allem zwei große Vorteile: Anders als beispielsweise flüssiger Wasserstoff sind die Eisennuggets kein Gefahrengut und können unkomplizierter und günstiger transportiert und gelagert werden. Hinzu kommt, dass sich Eisen als Speichermedium nicht abnutzt und beliebig oft be- und entladen werden kann. „Um den Wasserstoff dann wieder aus dem Eisen zu gewinnen, geben wir Wasserdampf hinzu, mit dem das Eisen oxidiert. Das Eisen entzieht dem Wasserdampf also den Sauerstoff, übrig bleiben Eisenoxid und Wasserstoff“, beschreibt Pahl den Prozess.

Derzeit laufe die CE-Zertifizierung für die Technologie. Einsetzbar soll der Container dann einerseits zum Transport, andererseits aber auch zur stationären Energiespeicherung und dezentralen Nutzung vor Ort sein. „Wir erwarten, dass es dann weitergeht in Richtung Großspeicheranlagen. Wir arbeiten an einem Sechzig-Kubikmeter-Speicher. Wenn es um den Transport des Eisens über weite Strecken geht, wird es dann aber sinnvoller sein, die Eisennuggets als Schüttgut zu transportieren statt im Container“, erläutert Pahl.

Projektpartner wollen Wasserstoff aus biogenen Rest- und Abfallstoffen gewinnen

Interessant ist für AMBARtec jedoch nicht nur, den Wasserstoff alternativ zu speichern, sondern auch eine alternative Quelle für die Wasserstoffproduktion zu erschließen – biogene Rest- und Abfallstoffe. Im November 2024 starteten sie gemeinsam mit dem DBFZ das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderte Forschungsprojekt HyCS-Biomass. Darin untersuchen die Projektpartner, wie sich Vergasergase (Synthesegase, die bei der gezielten Umwandlung von Biomasse zu einem brennbaren Gasgemisch unter Luft- oder Wasserdampfzufuhr entstehen) und Pyrolysegase (Gase, die bei der Erhitzung organischer Materialien bei Sauerstoffmangel entstehen) zu reinem Wasserstoff verarbeiten lassen.

„Wir wollen unsere Technologie mit einem Vergaser am DBFZ zusammenschalten und die Reinigungswirkung unseres Speicherverfahrens betrachten. Ziel ist es, die Prozesskette deutlich zu verkürzen und so auch die Wasserstoffgestehungskosten zu senken, um dem Anspringen des Wasserstoffmarkts zu helfen“, sagt Pahl.

Das Verfahren zur Wasserstoffherstellung aus Biogas muss oberhalb von 800 Grad Celsius ablaufen

Dafür kehren die Projektpartner den ursprünglichen Prozess um. Statt Wasserdampf setzen sie das bei der thermochemischen Vergasung von biogenen Rest- und Abfallstoffen entstehende Kohlenmonoxid ein. Pahl berichtet: „Auch das Kohlenmonoxid nimmt dem Eisenoxid den Sauerstoff weg. So wird aus Kohlenmonoxid Kohlendioxid und das Eisenoxid wird reduziert zu Eisen. Wenn dann der Prozess umgekehrt wird, indem Wasserdampf für die Entladung zum Einsatz kommt, erhalten wir aus dem reduzierten Eisen Wasserstoff.“

Wichtig ist, dass der Prozess oberhalb von 800 Grad Celsius ablaufen muss. Denn Kohlenmonoxid reagiert zu festem Kohlenstoff und Kohlendioxid, wenn es zu kalt ist. „Wir müssen sehr darauf achten, dass wir keine Hochtemperatur-Rußablagerungen bekommen. Denn für alle nachgeschalteten Wärmetauscher für das Wärmemanagement ist Kohlenstoff problematisch, da er versottet. Das würde den Wärmetausch stören beziehungsweise gänzlich blockieren“, schildert Pahl. Allerdings lasse sich trotzdem nicht ganz vermeiden, dass mit der Zeit Kohlenstoffablagerungen entstehen. Im Sinne des sogenannten Boudouard-Gleichgewichts bräuchte es mindestens 1000 Grad Celsius, um die Kohlenstoffablagerung komplett zu verhindern. Pahl erklärt: „Wenn die Ablagerungen zunehmen, kommt es zu einem Druckverlust und dann müssen wir einen Reinigungsakt fahren.“

Um das im Prozess abgeschiedene Kohlenstoffdioxid aufzufangen und nicht in die Luft abzulassen, testen die Projektpartner Membranen: „Es gibt effektive Verfahren, die insbesondere am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Hermsdorf entwickelt wurden. Wir haben am DBFZ zwei Versuchsphasen. In der ersten haben wir einen kleinen Speicher von uns an eine Laborgastheke am DBFZ angeschlossen, um erste Erfahrungen im Prozessbetrieb zu sammeln“, sagt Pahl.

Störstoffe wie Methan und langkettige Kohlenstoffe können sicher umgewandelt werden

Bei der Vergasung entstehen neben Kohlenmonoxid noch weitere Stoffe, wie Methan und langkettige Kohlenstoffe. In der Fachliteratur stießen die Forschenden vor Projektbeginn auf widersprüchliche Ergebnisse, inwiefern Eisenoxid in der Lage ist, das Methan und die langkettigen Kohlenstoffe zu spalten und aufzubrechen. Doch die Laborversuche mit einem Ein-Liter-Speicher beim Projektpartner DBFZ bestätigten: Methan und auch die langkettigen Kohlenstoffe lassen sich zuverlässig in Kohlenmonoxid beziehungsweise Kohlendioxid und Wasserdampf umwandeln.

Je nachdem, welche biogenen Abfall- und Reststoffe verwertet werden, entstehen weitere Störstoffe. Bei der Holzvergasung sind das etwa Stickstoff, Schwefelwasserstoff und Chlor. „Beim Stickstoff kommt es zu keiner Reaktion, beim Schwefelwasserstoff nur gering. Aber beim Chlor müssen wir einen Blick auf die Hochtemperaturkorrosion werfen. Dazu haben wir bislang sehr wenig Erfahrung – ein Aspekt, den wir aktuell intensiv untersuchen“, sagt Pahl.

Das Projekt läuft noch bis Oktober 2027. Im nächsten Schritt bauen die Forschenden einen Demonstrator am Festbettvergaser des DBFZ auf, der mit einem 100-Liter-Speicherbehälter von AMBARtec gekoppelt wird. So können sie testen, wie sich das Verfahren im Zusammenspiel mit verschiedenen Vergaser- und Pyrolyseanlagen verhält.

Pahl blickt insgesamt optimistisch auf den Projektverlauf: „Ich bin sehr zuversichtlich, dass wir Erfolg haben werden. Wir haben alles gesehen, was wir sehen wollten, hinsichtlich einer stabilen Prozessführung.“ (uj)