Vor-Ort-Technologie zur Herstellung von Wasserstoff beschleunigt auf den Markt

Ein neues Wasserstoffgeneratordesign mit einem Durchmesser von etwa 11 Zoll in Kombination mit einem Mikrokanal-Wärmetauscher ermöglicht die Produktion von Wasserstoff vor Ort an Tankstellen. Bildnachweis: Scott Butner | Scott Butner Photography, LLC

Eine neue Technologie, die Wasserstoff aus konventionellem Erdgas oder erneuerbarem Erdgas aus Biomasse erzeugt, könnte der nächste große Schritt sein, um den kalifornischen Hydrogen Highway, Brennstoffzellenfahrzeuge und -laster voranzutreiben und andere wertvolle Produkte zu schaffen.

Winzige Kanäle – etwa so breit wie eine Kreditkarte –, die Wärme übertragen, untermauern die Technologie, die am Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt wurde. Diese Mikrokanäle sind entscheidend, um die Energie effizient in die chemischen Reaktionen zu leiten, die Wasserstoff für den Transport, die Stromerzeugung und andere industrielle Zwecke erzeugen.

Der von PNNL entwickelte Wasserstoffgenerator wurde an ein Cleantech-Start-up-Unternehmen in Richland, Washington, STARS Technology Corporation, lizenziert. Der Wasserstoffgenerator verfügt über zwei neue Innovationen, die die Kosten für Wasserstoff senken können. Der erste ist ein neuer additiver Herstellungsprozess, der sowohl an STARS TC als auch an SoCalGas攁 ein in Los Angeles ansässiges Gasversorgungsunternehmen lizenziert wurde, das 22 Millionen Menschen in Zentral- und Südkalifornien versorgt. Das zweite ist ein neuartiges Spiralreaktordesign, das die Wärme präziser verteilt und die Reaktoreffizienz verbessert. Dieses exklusiv an SoCalGas lizenzierte Design minimiert die Energie, die zur Erzeugung von Wasserstoff erforderlich ist, und erhöht gleichzeitig die Haltbarkeit und Sicherheit des Reaktors.

“Eine kurzfristige Anwendung dieser Mikrokanaltechnologie wäre die Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge”, sagte Yuri Freedman, Senior Director für Forschung und Entwicklung bei SoCalGas. „Da diese Technologie einen geringen Platzbedarf bietet und die Effizienz des Prozesses, der Erdgas in Wasserstoff umwandelt, erheblich steigert, macht sie Wasserstoff viel sauberer und einfacher zu liefern. Sie könnten Wasserstoff überall dort produzieren, wo eine Erdgaspipeline in der Nähe ist , ist dies ein wichtiger Schritt, um unser Ziel zu erreichen, bis 2045 Netto-Treibhausgasemissionen in unserem Betrieb und in der Energieversorgung zu erreichen. Diese Technologie könnte die Wasserstoffproduktion und -nutzung in Kalifornien drastisch verändern und die Bemühungen von SoCalGas vorantreiben, die Klimaziele Kaliforniens zu erreichen und unsere Kunden.”

Betankung der Wasserstoffinfrastruktur

Da die STARS-Technologie überall dort, wo Erdgas verfügbar ist, Wasserstoff erzeugen kann, können die Entwickler sagen, dass diese Technologie den Bedarf für den Transport von Wasserstoff in speziellen Hochdruck-Rohranhängern erheblich reduzieren kann. Der Wegfall des Straßenverkehrs verbessert die öffentliche Sicherheit, reduziert die Treibhausgasemissionen und trägt dazu bei, die Wasserstoffproduktionskosten am Einsatzort mit herkömmlichen Kraftstoffen wettbewerbsfähig zu machen.

“Stellen Sie sich diese kleinen, effizienten, in Massenproduktion hergestellten Generatoren als ‘chemische Transformatoren’ vor, ähnlich wie elektrische Transformatoren im Stromnetz”, sagte Bob Wegeng, Präsident von STARS TC und Erfinder der Technologie. „Sie können überall entlang des Erdgasverteilungssystems platziert werden, sodass es zu einem ‚Wasserstoffnetz‘ wird, indem kostengünstig Wasserstoff für Tankstellen in Mengen bereitgestellt wird, die dem Bedarf vor Ort entsprechen.“

Wasserstoff aus Methan herstellen

Das am häufigsten vorkommende Element im Universum, Wasserstoff, ist typischerweise Teil anderer Verbindungen wie Wasser oder Methan. Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan, einem der effizientesten Wasserstoffträger der Natur. Herkömmliche Wasserstofferzeugungsverfahren unter Verwendung von Erdgas können manchmal Kohlendioxid emittieren und einen Großteil der Energie verbrauchen, die zum Teil aus kohlenstoffemittierenden Quellen gewonnen wird. Aber mit dem neuen Wasserstoffgenerator können eine Vielzahl effizienterer Heizansätze, einschließlich konzentrierter Solarthermie und induktiver solarelektrischer Heizung, verwendet werden, um Erdgas und Wasser zu erhitzen, um die chemischen Bindungen aufzubrechen, und emittieren 30 Prozent weniger Kohlendioxid als andere übliche Methan-zu-Wasserstoff-Prozesse.

Ein Zeitraffer-Video zeigt das 3-D-Spritzen eines Dampf-Methan-Reformierungsreaktors zur Wasserstofferzeugung. Die fortschrittliche Herstellungstechnik ist wirtschaftlich und kann die Verwendung von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen voranbringen. Bildnachweis: PS Media

Die lizenzierten Wasserstoffproduktionsprozesse sind hocheffizient und reduzieren die thermische Energie, die zur Herstellung hochwertiger Chemikalien erforderlich ist. Methan und Dampf strömen durch kompakte spiralförmige Mikrokanäle – mit einer Dicke von mehr als einigen Millimetern – und setzen das Gasgemisch schnell und gleichmäßig der Hitze aus, die chemische Reaktionen antreibt und den Wasserstoff aus dem Erdgas und Wasser freisetzt.

Da der Wasserstoff wirtschaftlich und sauber hergestellt werden kann, ist er gut positioniert, um das kalifornische Assembly Bill 8 zu unterstützen, das bis zu 20 Millionen US-Dollar pro Jahr für den weiteren Bau von mindestens 100 Wasserstofftankstellen im Bundesstaat vorsieht.

In diesem Frühjahr wird SoCalGas einen Wasserstoffgenerator von STARS TC erhalten, der sechs kleine modulare Reaktoren mit einem Durchmesser von etwa 10 Zoll umfassen wird. STARS TC besteht größtenteils aus ehemaligen PNNL-Mitarbeitern, von denen einer der ursprüngliche Erfinder der Mikrokanaltechnologie bei PNNL war.

3D-Druck zur Senkung der Kosten der Wasserstoffproduktion

Kürzlich haben PNNL, STARS TC und SoCalGas an der Weiterentwicklung des Wasserstofferzeugungssystems, einschließlich des spiralförmigen Mikrokanaldesigns, zusammengearbeitet. Dieses Team hat auch ein neuartiges Verfahren entwickelt, das 3D-Druckverfahren verwendet, um die Wasserstoff produzierenden chemischen Reaktoren zu bauen.

„Dieser additive Fertigungsprozess senkt die Herstellungskosten, indem er Teile reduziert, geometrische Formen formt, die durch Guss- oder Bearbeitungsprozesse fast unmöglich wären, und zeitintensive Fertigungsschritte eliminiert“, sagte Sara Hunt, Technology Commercialization Manager bei PNNL. „Die patentierte Technologie umfasst einzigartige Ansätze für den Aufbau von Strukturen innerhalb des Geräts, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Sie ermöglicht auch die Beschichtung oder Imprägnierung des Materials mit Katalysatoren, die die Geschwindigkeit der chemischen Umwandlung in Energie beschleunigen.“

Unabhängig davon arbeiten PNNL, SoCalGas und andere auch an neuartigen neuen chemischen Reaktoren zusammen, die Wasserstoff und feste Kohlenstoffmaterialien wie Kohlefaserprodukte und Kohlenstoffnanoröhren koproduzieren, wodurch die Kosten der treibhausgasfreien Wasserstoffproduktion noch weiter ausgeglichen werden können. Dies in Kombination mit der zusätzlichen Nutzung von erneuerbarem Erdgas bedeutet, dass diese Reaktorsysteme SoCalGas dabei unterstützen könnten, bis 2045 Netto-Null-Emissionen zu erreichen.

Die Entwicklung des Wasserstoffgenerators mit Mikrokanaltechnologie wurde vom RAPID Institute und Büros im Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des US Department of Energy, einschließlich der Hydrogen and Fuel Cell Technologies, Solar Energy Technologies und Advanced Manufacturing Offices, unterstützt.

SoCalGas mit Hauptsitz in Los Angeles ist das größte Gasversorgungsunternehmen in den Vereinigten Staaten. SoCalGas bietet 21,8 Millionen Verbrauchern auf 24.000 Quadratmeilen in Zentral- und Südkalifornien einen erschwinglichen, zuverlässigen, sauberen und zunehmend erneuerbaren Gasservice. Gas, das über die Pipelines des Unternehmens geliefert wird, wird auch weiterhin eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf saubere Energie in Kalifornien spielen, indem es die Zuverlässigkeit des Stromnetzes gewährleistet und den Einsatz von Wind- und Solarenergie unterstützt.


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