Was braucht man, um emissionsarmen Wasserstoff und Ammoniak herzustellen?
Heute werden 80 % des weltweiten Endenergiebedarfs durch unverminderte fossile Brennstoffe gedeckt, die bei ihrer Verbrennung Kohlendioxid und andere schädliche Schadstoffe in die Atmosphäre freisetzen. Die Elektrifizierung und der Ausbau der sauberen Elektrizität werden eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung des größten Teils dieser Nachfrage spielen, aber die verbleibenden schwer zu elektrifizierenden Industrien, darunter die Stahlherstellung, die Petrochemie und die Seeschifffahrt, werden kohlenstofffreie Ersatzstoffe benötigen, um eine vollständige Dekarbonisierung zu erreichen.
In diesen Fällen kann CO2-freie kraftstoffe wie emissionsarmer Wasserstoff oder Ammoniak, die keinen Kohlenstoff enthalten und bei ihrer Verbrennung oder Verwendung in einer Brennstoffzelle kein Kohlendioxid erzeugen, eine wertvolle Rolle bei der Dekarbonisierung der Weltwirtschaft spielen.
Die heutige Industrie nutzt Wasserstoff bereits für die Herstellung von Düngemitteln, Chemikalien und herkömmlichen Kraftstoffen. In der Tat produzieren die USA und die Europäische Union (EU) derzeit jeweils 10 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr für diese Zwecke. Das Problem dabei? Die Industrie erzeugt diesen Wasserstoff nicht auf klimaschonende Weise. Der heutige Wasserstoff wird hauptsächlich durch die Reaktion von Erdgas mit Wasserdampf erzeugt, ein Verfahren, das als Methandampfreformierung bekannt ist und für mehr als 900 Millionen Tonnen Kohlenstoffemissionen pro Jahr verantwortlich ist. Daher ist die Umstellung auf emissionsarme Produktionsmethoden von höchster Priorität. Wir können dies erreichen, indem wir sicherstellen, dass bei der Methandampfreformierung CO2-abscheidung und Speicherung verwendet werden (oft als "blauer" Wasserstoff bezeichnet) oder indem wir kohlenstoffarme Elektrizität zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwenden, ein Verfahren, das als Elektrolyse bekannt ist (auch oft als "grüner" Wasserstoff bezeichnet).
Viele Regierungen haben den Bedarf an emissionsarmem Wasserstoff erkannt und Pläne zur raschen Steigerung der Produktion angekündigt. In den USA will das Energieministerium (Department of Energy, DOE) die Produktion von emissionsarmem Wasserstoff bis 2030 von heute fast Null auf 10 Millionen Tonnen pro Jahr (TPA) steigern . Die EU hat sogar noch ehrgeizigere Ziele angekündigt und plant, bis 2030 10 Millionen TPA Wasserstoff im eigenen Land zu produzieren und 10 Millionen TPA erneuerbaren Wasserstoff zu importieren.
Während das Dekarbonisierungspotenzial von emissionsarmem Wasserstoff zunehmend erkannt wird, sind die materiellen Anforderungen einer emissionsarmen Wasserstoffproduktion - sei es durch Elektrolyse oder durch Methandampfreformierung mit CO2-abscheidung- weniger gut bekannt. Aus diesem Grund hat CATF den Wasserstoffproduktionsrechner entwickelt, ein interaktives Tool, das den Nutzern ein besseres Verständnis für die Mengen an Erdgas, Wasser und Elektrizität vermittelt, die für die Produktion unterschiedlicher Mengen an Wasserstoff erforderlich sind, sowie für die Nebenprodukte dieser Prozesse. Geben Sie einfach die gewünschte Wasserstoffmenge ein, und der Rechner zeigt die benötigten Ressourcenmengen an.
Wie wird also eine bestimmte Menge an emissionsarmem Wasserstoff hergestellt? Um diese Frage zu beantworten, haben wir unseren Rechner eingesetzt:
Mit Erdgas und CO2-abscheidung hergestellter Wasserstoff ("blauer" Wasserstoff)
Ein typischer Dampf-Methan-Reformer - ohne CO2-abscheidung - produziert etwa 10.000 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde (kg/hr). Wenn wir diese Produktionsmenge in den Rechner eingeben, sehen wir, dass ein ähnlich großer Dampf-Methan-Reformer mit CO2-abscheidung 1800 MMBTU (530 MWh) Erdgas pro Stunde verbrauchen würde, was etwa dem Verbrauch von 230.000 US-Haushalten in einer Stunde entspricht.1 Die Anlage würde auch etwa 200 Gallonen Wasser pro Minute verbrauchen, was etwa dem Verbrauch von 1000 US-Haushalten pro Minute entspricht.2
Durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugter Wasserstoff ("grüner" Wasserstoff)
Wenn wir die 10.000 kg/h Wasserstoff einsetzen, die ein typischer Methandampfreformer produziert, ergibt sich, dass eine ähnlich große Elektrolyseanlage 530 MWh Strom pro Stunde verbrauchen würde - das entspricht etwa dem Verbrauch von 440.000 US-Haushalten in einer Stunde.3 Die Elektrolyseanlage würde auch 440 Gallonen Wasser pro Minute verbrauchen, was etwa dem Verbrauch von 2.100 US-Haushalten pro Minute entspricht.2
Wichtigste Erkenntnisse
Ob durch Methandampfreformierung mit CO2-abscheidung oder durch Elektrolyse, die Herstellung von Wasserstoff ist ein ressourcenintensives Unternehmen. Diese Erkenntnis wird noch wichtiger, wenn man bedenkt, wie viele Ressourcen benötigt werden, um den weltweiten Bedarf an emissionsarmem Wasserstoff zu decken.
Um beispielsweise das DOE-Ziel von 10 Millionen TPA allein durch Wasserstoff aus erneuerbaren Energien zu erreichen, wären mindestens 60 GW an kohlenstoffarmer Elektrizität und Elektrolyseur-Kapazität erforderlich - diese Zahl ist deutlich höher, wenn die Quelle der sauberen Elektrizität variabler Natur ist (z. B. Sonne, Wind). Zum Vergleich: 2020 wurden in den USA 24,5 GW an neuen Solar- und Windkraftanlagen installiert. Im Jahr 2021 waren es mit 28,7 GW noch mehr.
Das oben beschriebene Szenario, bei dem der erwartete Wasserstoffbedarf ausschließlich durch erneuerbar erzeugten Wasserstoff gedeckt wird, könnte sich als schwierig erweisen. Während sich das Wachstum der erneuerbaren Energien weltweit beschleunigt, wird der Großteil der neuen erneuerbaren Kapazitäten für die Dekarbonisierung des bestehenden Netzes verwendet werden.
Glücklicherweise gibt es eine Reihe potenzieller Technologien und Einsatzstrategien, die den Erfolg einer emissionsarmen Wasserstoffwirtschaft maximieren können. Einerseits könnte saubere, immer verfügbare Energie, auch bekannt als 24/7-Energie, wie Kernenergie oder geothermische Energie aus superheißem Gestein, helfen, indem sie den Kapazitätsfaktor für die elektrolytische Wasserstoffproduktion erhöht. Es gibt auch mehr als einen Weg, um emissionsarmen Wasserstoff zu produzieren; "blauer" Wasserstoff kann dazu beitragen, die Produktion neben "grünem" Wasserstoff zu skalieren. Diese Option ist jedoch nicht ohne Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, nämlich die Skalierung der CO2-abscheidung Infrastruktur, die für die Abscheidung, Lieferung und Bindung des Kohlenstoffs erforderlich ist, und die Sicherstellung einer rigorosen Verfolgung und Reduzierung flüchtiger Emissionen bei der vorgelagerten Erdgasversorgung.
Alle Möglichkeiten der emissionsarmen Wasserstofferzeugung haben ihre eigenen Hindernisse, und die Entwicklung möglichst vieler dieser Optionen wird sicherstellen, dass die Welt Zugang zu einer Reihe von sich ergänzenden Klimainstrumenten hat, die in einer Vielzahl von Regionen, Geschäftsmodellen, Ressourcenbeschränkungen und Klimabedingungen eingesetzt und angepasst werden können.
1 Bitte beachten Sie, dass der Verbrauch variiert, je nachdem, ob Elektrizität anstelle von Erdgas für gängige Endanwendungen wie Heizen, Kochen und Wäschetrocknen verwendet wird. Unter Verwendung von EIA-Daten zeigen Berechnungen von CATF , dass der Erdgasverbrauch pro US-Privatkunde im Jahr 2021 bei 5.392 Standardkubikfuß pro Monat lag. Dies entspricht etwa 5,63 Millionen British Thermal Units (MMBTU) oder 1649 Kilowattstunden (kWh) pro Monat.
2 Das in einer Anlage leicht verfügbare Wasser muss möglicherweise zusätzlich aufbereitet werden, um die strengen Qualitätsanforderungen für die Methandampfreformierung oder Elektrolyse zu erfüllen. Folglich kann der tatsächliche Rohwasserverbrauch je nach verfügbarer Qualität variieren. Bei den oben aufgeführten Berechnungen wird davon ausgegangen, dass das Wasser bereits auf die erforderliche Qualität aufbereitet ist, und es werden keine Überlegungen bezüglich des Kühlwassers für Hilfsanlagen angestellt. Nach Angaben der EPA lag der durchschnittliche Wasserverbrauch eines US-Haushalts im Jahr 2016 bei 1136 Litern (300 Gallonen) pro Tag. Weitere Informationen darüber, wie der tatsächliche Rohwasserverbrauch je nach verfügbarer Qualität variieren kann, finden Sie auf der Webseite von GHD.
3 Bitte beachten Sie, dass es sich bei der oben genannten Zahl um den verbrauchten Strom handelt und nicht um die für den Betrieb der Elektrolyseanlage erforderliche Erzeugungskapazität. Die erforderliche Erzeugungskapazität hängt davon ab, wie oft der Strom während des Tages zur Verfügung steht, was auch als Kapazitätsfaktor bezeichnet wird. Der Kapazitätsfaktor ist bei den verschiedenen Technologien für erneuerbare Energien unterschiedlich und liegt in der Regel bei 10-20 % für Photovoltaik und 30-50 % für Offshore-Windkraft. Dieser Faktor kann im Tool geändert werden, um den Wert von sauberem, festem Strom zu demonstrieren, der rund um die Uhr verfügbar ist. Die EIA-Daten zeigen, dass der durchschnittliche Stromverbrauch eines Haushalts bei 10.632 kWh/Jahr liegt.
