Dampfreformierung von Biogas und Biomethan zu Wasserstoff: Bilanz, CO₂ und Reifegrad

Die Dampfreformierung von Methan (SMR, Steam Methane Reforming) ist die weltweit am häufigsten angewandte Methode zur Wasserstoffherstellung aus Erdgas. Sie lässt sich auch auf Biomethan oder aufbereitetes Biogas anwenden: Methan reagiert mit Wasserdampf bei einer Temperatur in der Größenordnung von 700–900°C an einem Nickelkatalysator und ergibt ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas), aus dem nach der CO-Konvertierung und Reinigung Wasserstoff gewonnen wird. Ist der Rohstoff nachhaltiges Biomethan, hat das im Prozess entstehende CO₂ biogenen Ursprungs, und der Wasserstoff kann einen deutlich niedrigeren Treibhausgas-Fußabdruck aufweisen als Wasserstoff aus fossilem Gas. Die Reformierungstechnologie ist ausgereift, ihre Anwendung auf kleine Biogasquellen befindet sich dagegen noch in der Demonstrationsphase.

Reaktionen

1. Reformierung: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (endotherm, ΔH ≈ +206 kJ/mol; erfordert Wärme).
2. CO-Konvertierung (Water-Gas-Shift): CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (leicht exotherm).
3. Gesamtreaktion: CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂.

Stöchiometrie: Aus 16 g CH₄ entstehen 8 g H₂, also aus 1 kg Methan maximal ca. 0,5 kg Wasserstoff und 2,75 kg CO₂ (aus der Gesamtreaktion). Zusätzliches CO₂ stammt aus der Verbrennung des Brennstoffs, der die Wärme für die endotherme Reaktion liefert.

Verfahrenskette

• Rohstoffreinigung: Entfernung von Schwefel (vergiftet den Katalysator), Halogeniden, Siloxanen.
• Reformierungsreaktor mit Ni-Katalysator, Ofen mit Brennern.
• CO-Konvertierungsreaktor (ein- oder zweistufig).
• Wasserstoffreinigung: meist PSA bis zu einer Reinheit von >99,9%.
• Verwertung des Abgases (Tail Gas) – häufig zu den Brennern zurückgeführt.
• Optional CO₂-Abscheidung aus dem Synthesegas oder aus den Rauchgasen.

Energie- und Stoffbilanz (Beispiel)

Annahmen: energetischer Wirkungsgrad (Energie von H₂ im Heizwert / Energie von Methan im Heizwert) 70% (typischer Wert für Industrieanlagen größeren Maßstabs, bei kleinen häufig niedriger), Heizwert von Wasserstoff 33,3 kWh/kg, Heizwert von Methan 13,9 kWh/kg. Methanbedarf je 1 kg H₂: 33,3 / (0,70 × 13,9) ≈ 3,4 kg CH₄ (ca. 4,8 Nm³). Für eine Anlage, die 100 kg H₂/h erzeugt, werden somit ca. 340 kg CH₄/h (ca. 480 Nm³/h) benötigt. Diese Menge entspricht einer Biomethananlage mittlerer Größe. Die CO₂-Emissionen des Prozesses betragen ca. 3,4 × 2,75 ≈ 9,4 kg CO₂/kg H₂ (aus dem gesamten Kohlenstoff im Methan), was der Größenordnung der Emissionen von Wasserstoff aus Erdgas entspricht (ca. 9–10 kg CO₂/kg H₂ laut Literatur). Im Fall von Biomethan hat das CO₂ biogenen Ursprung.

Biogas direkt

Statt Biogas zu Biomethan aufzubereiten, kann man es direkt reformieren: Das CO₂ im Biogas ist von Anfang an vorhanden und beteiligt sich an der sog. Trockenreformierung bzw. gemischten Reformierung. Das führt zu einer Vereinfachung (keine Aufbereitung), erfordert jedoch Lösungen, die gegen Verunreinigungen und schwankende Zusammensetzung beständig sind. Solche Anlagen befinden sich im Stadium von Forschung und Pilotversuchen.

Treibhausgas-Fußabdruck

Je nach Methanquelle und Vorhandensein einer CO₂-Abscheidung kann der Treibhausgas-Fußabdruck von Wasserstoff von Werten nahe denen von fossilem Gas (wenn der Rohstoff fossil ist, ohne Abscheidung) bis zu sehr niedrigen oder negativen Werten reichen (Biomethan aus Gülle mit CO₂-Abscheidung). Im EU-Recht unterliegt Wasserstoff aus Biomasse den Vorschriften für Kraftstoffe aus Biomasse (Nachhaltigkeitskriterien), nicht den Vorschriften für erneuerbare Kraftstoffe nicht biogenen Ursprungs. „Grüner Wasserstoff“ (elektrolytisch aus EE) darf nicht mit Wasserstoff aus Biomethan verwechselt werden.

Wirtschaftlichkeit und Anlagengröße

Die Reformierung ist im großen Maßstab wirtschaftlicher, wo sich die Fixkosten auf große Wasserstoffmengen verteilen. In kleinen landwirtschaftlichen Anlagen steigen die spezifischen Kosten, und zusätzlich müssen Reinigung, Verdichtung und Verteilung des Wasserstoffs berücksichtigt werden. Aus diesem Grund sind realistische Anwendungen in den nächsten Jahren Betriebe mit vorhandenem Wasserstoffbedarf und Zugang zu größeren Biomethanmengen.

Vor- und Nachteile

Vorteile: ausgereifte Technologie, hoher Wirkungsgrad, Möglichkeit der Integration mit CO₂-Abscheidung, Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur.

Nachteile: Verbrauch von Biomethan, das auch andere Verwendungen hat; CO₂-Emissionen ohne Abscheidung; Notwendigkeit der Rohstoffreinigung; Komplexität im kleinen Maßstab.

Was bei der Projektbewertung zu vermeiden ist

Bei der Analyse von Reformierungsangeboten sollte geprüft werden, ob sich der angegebene Wirkungsgrad auf das gesamte System bezieht (mit Reinigung, Verdichtung und Verwertung des Abgases), wie der Lastbereich und die Anfahrzeit aussehen und wie das CO₂ verwertet wird. Eine häufige Vereinfachung ist, die Energie für die Verdichtung des Wasserstoffs auf Transportdrücke (einige hundert bar) auszulassen, die einige bis mehrere Prozent der im Wasserstoff enthaltenen Energie ausmachen kann. Ebenso ist der Verbrauch von Prozesswasser und Hilfsstrom hinzuzurechnen.

Zusammenfassung

Die Reformierung von Biomethan ist der marktnächste Weg zu Wasserstoff aus Biomasse, man muss sich jedoch bewusst machen, dass sie einen wertvollen Energieträger verbraucht. Begründet wird sie vor allem durch lokalen Wasserstoffbedarf und die Möglichkeit, das CO₂ zu verwerten.