Forschende entwickeln neuen Methanol-Reformer zur Wasserstoff-Herstellung

© Fraunhofer IMMMainz – Der Einsatz von Wasserstoff wird in Zukunft deutlich zunehmen. Das wird nicht zuletzt durch den Green Deal der EU erkennbar. Dabei kann der Wasserstoff nicht nur als Gas, sondern auch in gebundener Form beispielsweise als Methanol oder Ammoniak transportiert werden. Probleme bei der Rückumwandlung konnten nun gelöst werden.

Forschende des Fraunhofer Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM haben einen verbesserten Reformer entwickelt, der den im Methanol gebundenen Wasserstoff wieder freisetzt. Fortschritte gibt es beim Platzbedarf und bei der Katalysatortechnik.

Nutzung von Methanol als Wasserstoffträger in der Mobilitätsanwendung
Die Verfügbarkeit und der Transport von Wasserstoff sind zentrale Voraussetzungen für die Nutzung. Abhilfe schaffen kann die Umwandlung von Wasserstoff in Methanol, so das Fraunhofer IMM. Denn Methanol lässt sich nicht nur deutlich leichter transportieren als Wasserstoff, sondern auch nahezu unbegrenzt aufbewahren. Dadurch könnte beispielsweise grüner Wasserstoff in sonnenreichen Gegenden hergestellt, in Methanol umgewandelt und transportiert werden. Das Kohlenstoffdioxid, das für die Methanolproduktion benötigt wird, kann entweder aus der Atmosphäre entnommen werden oder aber aus Industrieprozessen stammen, etwa aus der Zementproduktion. Zudem bietet Methanol mit etwa 4,8 Kilowattstunden Energie pro Liter eine sehr hohe Energiedichte – eine Größenordnung höher als die von komprimiertem Wasserstoff. Die International Energy Agency (IEA) prognostiziert für Methanol mit etwa sechs Cent pro Kilowattstunde darüber hinaus sehr attraktive Kosten.

Probleme herkömmlicher Methanol-Reformer – Wärmemanagement und Katalysatorabrieb
Um die im Methanol gespeicherte Energie zu nutzen, wird ein Methanol-Reformer eingesetzt, der unter Zugabe von Wasserdampf den Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid rückverwandelt – und zwar dort, wo der Wasserstoff benötigt wird. Die Kohlenstoffdioxid-Bilanz insgesamt ist also neutral. Doch bestehen bei üblichen Reformern derzeit noch einige Probleme. Etwa bei den Katalysatoren, die für die Reaktionen nötig sind. Sie bestehen aus Kupfer-Zink-Oxid-Pulver, das – zu Pellets gepresst – in den Reaktor geschüttet wird.

Allerdings entsteht dabei Katalysatorabrieb, der die Brennstoffzelle verschmutzt. Zudem wird das Katalysatormaterial nicht vollständig ausgenutzt und die Reaktion läuft bei vergleichsweise tiefen Temperaturen recht langsam ab. Eine weitere Herausforderung liegt im Wärmemanagement: Dem Reaktor muss Wärme zugeführt werden, um die Dampfreformierungsreaktion anzutreiben – dabei geht jedoch viel Effizienz verloren. Auch die Wärme aus dem Brennstoffzellen-Abgas kann nicht effizient genutzt werden.

Fraunhofer Forschende entwickeln Lösungen für zukünftige Methanol-Reformer
Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IMM entwickeln in mehreren öffentlich geförderten und Industrieprojekten Methanol-Reformer, die die bisherigen Herausforderungen überwinden. Der neue Reformer für mobile Anwendungen braucht nur ein Sechstel, also rund 17 Prozent, des Platzes, den handelsübliche Reformer in der vergleichbaren Leistungsklasse einnehmen. Das ist für mobile Anwendungen durchaus ein wichtiger Punkt. Auch die Katalysatortechnologie haben die Forschenden optimiert. „Wir setzen auf edelmetallhaltige Katalysatorbeschichtungen, bei denen keinerlei Abrieb entsteht – ähnlich wie beim Autokatalysator“, sagt Dr. Gunther Kolb, stellvertretender Institutsleiter und Bereichsleiter am Fraunhofer IMM. Dadurch wird weniger Katalysatormaterial benötigt, was die Kosten senkt.

Im Teillastbetrieb entstehen bei herkömmlichen Katalysatoren zunehmend unerwünschte Nebenprodukte wie Kohlenstoffmonoxid, das ist beim Katalysator aus dem Fraunhofer IMM nicht der Fall. Auch das Wärmemanagement – und somit die Energieeffizienz des Reformers – hat das Forscherteam optimiert: Es beschichtet Plattenwärmetauscher mit dem Katalysatormaterial und fasst diese zu Stapeln von bis zu 200 Platten zusammen. Strömt das Gas darüber, kommt es nicht nur mit dem Katalysator in Kontakt, sondern wird in den kleinen Kanälen auch sehr effizient erhitzt.

„Durch Nutzung der Abwärme erzielen wir eine sehr gute Wärmeintegration und eine hohe Systemeffizienz“, erläutert Kolb. Eine mögliche Serienfertigung haben die Forscherinnen und Forscher dabei gleich mit im Blick: Die Reaktoren lassen sich ähnlich herstellen wie Hochdruckwärmetauscher für Kraftfahrzeuge, es können also etablierte und massentaugliche Prozesse genutzt werden.

Prototyp soll Mitte 2022 fertig sein
Derzeit erstellen die Forschenden des Fraunhofer Instituts einen Prototyp mit einer Leistung von 35 Kilowatt, der Mitte 2022 fertig sein. „Das Projekt ist längerfristig angelegt, testweise werden verschiedene Prototypen in Landfahrzeuge integriert“, sagt Kolb. Für die maritime Anwendung entwickeln die Forschenden beispielsweise einen Reformer mit einer Leistung von 100 Kilowatt. Langfristig ist zudem denkbar, die Reformer, die derzeit aus Stahl gefertigt werden, aus Leichtbaumaterialien wie Titan zu produzieren – für Anwendungen in Auto und Co. durchaus ein wichtiger Ansatz, um Gewicht und damit den Energieverbrauch gering zu halten.