China: Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen – Technologie und Ökologie? 

Wenn man in China über Wasserstoff spricht, denken viele sofort an „grün“. Elektrolyse. Doch die Realität auf der Erde, insbesondere im industriellen Maßstab, sieht immer noch anders aus. Die Hauptmenge ist immer noch Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, und hier liegen viele Nuancen, die in Branchenberichten oft verschwiegen werden. Ich selbst habe an mehreren Projekten zur Dampfumwandlung von Methan gearbeitet und kann sagen: Die Diskussion über Ökologie lässt sich hier nicht auf einfache Schlagworte reduzieren. Es ist ein ständiger Kompromiss zwischen Wirtschaftlichkeit, verfügbarer Technologie und dem CO2-Fußabdruck, über den sich mittlerweile alle so große Sorgen machen.

Technologische Basis: nicht nur SMR

Ja, die Dampf-Methan-Reformierung (SMR) ist ein Klassiker. Aber in China wird es mit Anpassungen an lokale Rohstoffe umgesetzt. Oftmals arbeiten wir nicht mit idealem Erdgas, sondern mit Erdölbegleitgas oder sogar Kokereigas. Die Zusammensetzung ist instabil, daher die Kopfschmerzen mit Katalysatoren. Ich erinnere mich an ein Projekt in Shanxi, bei dem aufgrund des hohen Schwefelgehalts in den Rohstoffen das Vorbehandlungsschema komplett überarbeitet werden musste. Standardlösungen waren nicht geeignet; Als Ergebnis wurde ein Hybridsystem mit Adsorbentien auf Basis von Zinkoxid und Zeolithen entwickelt. Der Wirkungsgrad hat das Niveau erreicht, die Lebensdauer des Konvertierungskatalysators ist jedoch immer noch um 15 % reduziert. Das ist der Preis der Anpassung.

Anders sieht es bei der partiellen Oxidation (POX) bei schweren Rohstoffen aus. Die Technologie ist energieintensiv und erfordert eine komplexe und teure Sauerstoffanlage. Aber in manchen Fällen kann man darauf nicht verzichten. In einer der Raffinerien in Liaoning wurde gerade eine POX-Anlage zur Teerverarbeitung eingeführt. Das Hauptproblem lag nicht einmal im Prozess, sondern in der dazugehörigen Ausrüstung – hitzebeständige Legierungen für den Reaktor und die Wärmetauscher. Ständige Probleme mit Korrosion und Erosion. Chinesische Analoga hielten nicht immer stand; Es mussten teure Importmaterialien eingekauft werden, was den wirtschaftlichen Nutzen des Projekts zunächst zunichte machte.

Als flexiblere Technologie wird derzeit viel über die autotherme Reformierung (ATR) gesprochen. Es soll hinsichtlich der Wasserstoffausbeute und der Emissionen besser sein. Auf dem Papier – ja. In der Praxis kommt es jedoch darauf an, das Sauerstoff-/Dampf-/Feed-Verhältnis genau zu steuern. Beim kleinsten Fehler entsteht statt des optimalen Prozesses entweder Ruß oder nicht umgewandeltes Methan. Ich habe einen Versuch gesehen, eine solche Installation in einem Pilotkomplex zu starten. Die Steuerung wurde unter idealen Laborbedingungen „geschärft“, doch in Wirklichkeit machten Druckschwankungen in der Gasleitung alles zunichte. Die Feinabstimmung der Algorithmen dauerte einen Monat. Die Technologie ist also vielversprechend, erfordert aber noch viel „Einarbeitung“. im Feld.

Ökologisches Paradoxon und der CCS-Trick

Dies ist der größte Stolperstein. Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Methan entsteht zwangsläufig CO2. Viele. Deshalb tragen jetzt alle Projekte in China, die den Anspruch haben, „kohlenstoffarm“ zu sein, das Präfix „CCS-ready?“ oder „eingefangener Kohlenstoff“. Aber Bereitschaft ist das eine, tatsächliche Umsetzung das andere. Das Hauptproblem ist nicht einmal die Erfassungstechnologie (obwohl sie teuer ist), sondern Logistik und Lagerung. Wohin soll dieses CO2 gehen? In der Nähe von Fabriken gibt es nicht viele geologische Formationen für die Lagerung im industriellen Maßstab.

War an der Projektbewertung beteiligtWasserstoff aus Kohlenwasserstoffenmit Vollzyklus-CCS in Xinjiang. Technisch ist alles berechnet: 90 % Abscheidung, eine Pipeline zum Transport von CO2 über 150 km zu einem erschöpften Gasfeld. Doch die Wirtschaft ist ins Wanken geraten. Die Kosten pro Tonne abgeschiedenem und vergrabenem CO2 verschlingen alle potenziellen Gewinne aus „sauberem“ CO2. Wasserstoff. Das Projekt wurde schließlich eingefroren und wartete auf größere staatliche Subventionen oder höhere Preise für CO2-Quoten. Bisher ist CCS in China eher ein Demonstrationsprojekt als eine Massenpraxis.

Ein weiterer Punkt sind indirekte Emissionen. Jeder zählt den Kohlenstoff aus dem Umwandlungsprozess selbst, vergisst aber oft den „grauen“ Teil. Fußabdruck aus der Stromerzeugung für den Betrieb von Kompressoren, Pumpen und Steuerungssystemen. Befindet sich die Anlage in einer Region, in der das Netz an Kohle angeschlossen ist, verschlechtert sich das Gesamtemissionsbild um 20-25 %. Daher greifen sie bei der Planung zunehmend auf eigene erneuerbare Energieanlagen zurück, um den Bedarf zumindest teilweise zu decken. Dies erhöht aber wiederum den Preis.

Ausrüstung und Lokalisierung: Wo stehen wir jetzt?

Zuvor wurden Schlüsselausrüstungen – Reformer, Syngas-Kompressoren, PSA-Systeme – aktiv von Linde, Air Products und Topsoe gekauft. Der aktuelle Trend geht zur vollständigen Lokalisierung. Chinesische Hersteller haben bei der Herstellung von Synthesegassäulen, Wärmetauschern und Steuerungssystemen bereits ein gutes Niveau erreicht. Bei Katalysatoren und einigen Speziallegierungen für Hochtemperaturzonen gibt es jedoch noch Schwierigkeiten.

Arbeiten mitChengdu Yizhi Technology Co.(Dies ist ein von Huaxi Technology gegründetes Designinstitut), beobachtete ihren Ansatz. Sie reproduzieren nicht einfach vorgefertigte Lösungen, sondern passen Technologiepakete häufig an die spezifischen Rohstoffe des Kunden an. Ihre Websiteyzkjhx.ruist in der Tat ein Portfolio solcher nicht standardmäßigen Projekte. Sie haben eine eigene Entwicklung – einen mehrschichtigen Katalysator zur Methanumwandlung mit erhöhter Beständigkeit gegen Schwefelvergiftung. Implementiert bei einer Installation in Sichuan. Die Ergebnisse sind nicht schlecht, aber wiederum für ideale Bedingungen. Bei plötzlichen Laständerungen sank die Aktivität schneller als beim importierten Analogon. Es gibt Fortschritte, aber wir müssen noch daran arbeiten, die volle Parität zu erreichen.

Ein interessanter Fall ist die Verwendung vorgefertigter modularer Anlagen mit niedriger und mittlerer Leistung. Dies ist ein Trend zur dezentralen Wasserstoffproduktion, beispielsweise für Tankstellen. Chinesische Unternehmen, darunter auch Yizhi Technology, sind hier sehr aktiv. Zusammengebaut, angeschlossen, gestartet. Aber die Zuverlässigkeit solcher „out-of-the-box“-Lösungen in strengen Wintern im Norden Chinas oder hoher Luftfeuchtigkeit im Süden ist eine große Frage. Häufige Wartungsstopps und Filterwechsel. Die Zuverlässigkeit ist großen stationären Komplexen immer noch unterlegen.

Zwischenprodukte: Die Rolle von Synthesegas

Was oft übersehen wird, ist, dass die Produktion von Wasserstoff nicht immer das Endziel ist. Synthesegas selbst ist ein wertvoller Rohstoff. In China mit seiner leistungsstarken Chemieindustrie ist dies von entscheidender Bedeutung. Viele Projekte sind zunächst als flexible Produktion konzipiert: Heute maximieren wir die Wasserstoffausbeute für Raffinerien, morgen wechseln wir den Modus zur Herstellung von Methanol oder Ammoniak.

Ich bin auf eine Situation gestoßen, in der aufgrund veränderter Marktbedingungen (Wasserstoffpreise fielen, Methanolpreise stiegen) das Betriebssystem dringend geändert werden musste. Hierbei handelte es sich nicht nur um eine Einrichtung, sondern um einen physischen Austausch von Kartuschen im Wasserstoff-Feinreinigungssystem (PSA) und eine Neueinstellung des Kompressorsystems. Die Ausfallzeit betrug fast einen Monat. Bei der Planung neuer Anlagen wird heute eine viel größere Flexibilität eingebaut, was aber wiederum einen Anstieg der Kapitalkosten bedeutet.

Ein weiterer Aspekt ist die Reinheit von Wasserstoff. Brennstoffzellen erfordern den höchsten Reinigungsgrad (bis zu 99,999 %). Dies mithilfe von Kohlenwasserstoff-Rohstoffen zu erreichen, ist schwierig und teuer. Die Hauptverunreinigungen – CO und CO2 – sind Gifte für den Brennstoffzellenkatalysator. Standardadsorptionsmethoden liefern nicht immer das gewünschte Ergebnis. Man muss kombinieren: Hochtemperaturkonvertierung, dann Niedertemperaturkonvertierung, dann PSA und manchmal auch Membrantrennung. Jede weitere Stufe ist ein Verlust an Druck, Energie und natürlich Geld. Daher „Wasserstoff für den Transport?“ aus Methan kann preislich noch nicht mit dem gleichen Wasserstoff für die Ölraffinierung konkurrieren, wo die Reinheitsanforderungen geringer sind.

Blick in die Zukunft: Was passiert mit diesem Segment?

Bei allem Hype um grünen Wasserstoff werden die grauen und blauen Linien der Kohlenwasserstoffe China noch lange dominieren. Die Gründe sind Infrastruktur, Kosten und vor allem die Verfügbarkeit von Rohstoffen. Die Frage ist, wie dieser Prozess aus ökologischer Sicht akzeptabel gestaltet werden kann. Ich denke, die Zukunft liegt nicht in einem einzelnen Durchbruch, sondern in einer Reihe von Maßnahmen: der schrittweisen Einführung von CCS dort, wo es geografisch und wirtschaftlich gerechtfertigt ist; Hybridisierung mit erneuerbaren Energiequellen zur Stromversorgung von Anlagen; und kontinuierliche Arbeit an der Effizienz von Katalysatoren und Wärmekreisläufen, um den Rohstoff- und Energieverbrauch pro Produkteinheit zu reduzieren.

Vieles wird von der CO2-Preispolitik abhängen. Wenn die Kosten der CO2-Emissionen erheblich werden, wird sich die Wirtschaftlichkeit der Projekte dramatisch ändern. Heutzutage werden viele Entscheidungen auf der Grundlage kurzfristiger wirtschaftlicher Gesichtspunkte und nicht auf der Grundlage langfristiger Ökologie getroffen.

Persönlich bin ich skeptisch, was den bevorstehenden vollständigen Verzicht auf Kohlenwasserstoffe als Rohstoff für Wasserstoff angeht. Vielmehr werden wir seine Nische sehen. Große, moderne, ggf. hybride (teilweise Biomethan-)Anlagen in der Nähe von Verbrauchszentren oder CO2-Speicherstandorten. Und für abgelegene oder kleine Verbraucher werden Elektrolyseure entwickelt, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden. Aber die Basis – die chemische Industrie, die Ölraffinierung – wird noch 20 bis 30 Jahre auf Technologien zur Umwandlung von Methan und seinen Analoga basieren. Die Hauptsache ist, Probleme nicht zu vertuschen, sondern ehrlich an ihnen zu arbeiten und dabei alle Kosten, auch die Umweltkosten, zu berücksichtigen.