Industrie + Technik

Das erste Reallabor des Bundeswirtschaftsministeriums fokussiert auf Wasserstofftechniken. Die Raffinerie Heide in Hemmingstedt baut dafür eine 30-Megawatt-Elektrolyseanlage.
Wasserstoff gilt als ein Schlüsselelement der Energiewende. Als Sekundärenergieträger ist er entscheidend bei der Kopplung der Sektoren Strom, Mobilität und Wärme. Dabei darf Wasserstoff nicht mehr CO2-Emissionen verursachen als verhindern. Er darf also nicht aus fossilen Brennstoffen stammen (grauer H2), sondern muss aus Wasser elektrolysiert werden, und zwar ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Quellen (grüner H2).<h2>Traditionelle Verfahren der Wasserstofferzeugung</h2>Die Raffinerie Heide in Schleswig-Holstein (Abbildung, S. 26) gewinnt Wasserstoff als Nebenprodukt des katalytischen Reformings aus dem Platformer-Prozess (platinum reforming). Bei diesem Konversionsprozess entstehen aus Paraffinen, Naphthenen und Aromaten mit Kohlenstoffzahlen zwischen C5 und C12 Gemische mit einer hohen Oktanzahl. Sie werden zu Benzin oder in der chemischen Industrie weiterverarbeitet.<figure><img src="https://media.graphcms.com/PtBADGpRSxyFzBpI6Nnl"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Raffinerie Heide mit Windkraftanlagen im Hintergrund. Foto: Raffinerie Heide</figcaption></figure>
Ein weiteres Raffinerieverfahren, bei dem Wasserstoff entsteht, ist die Dampfreformierung nach den ReaktionsgleichungenCH4 + H2O → CO + 3 H2 undCO + H2O → CO2 + H2.<h2>Das Projekt Westküste 100</h2>Es ist möglich, grauen Wasserstoff vollständig durch grünen Wasserstoff zu ersetzen. Auf diese Weise ließen sich etwa drei Prozent der weltweiten CO2-Emissionen einsparen. Die Raffinerie Heide will diese Entwicklung vorantreiben. Dabei ist das Projekt Westküste 100 entscheidend.Im August 2020 ist dazu das erste Wasserstoffprojekt im Rahmen des Programms „Reallabore der Energiewende“ in Deutschland gestartet. Das auf fünf Jahre angelegte Projekt soll die überschüssige Windenergie Norddeutschlands nutzen, um grünen Wasserstoff in industriellem Maßstab zu erzeugen und die Emissionen durch Wärme, Transport und Industrie von etwa einer Million Tonnen CO2 pro Jahr zu senken.Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Projekt mit 30 Millionen Euro. Weitere 60 Millionen Euro tragen die Raffinerie Heide und neun Partner bei. Sollte der Praxistest für grünen Wasserstoff gelingen und das Vorhaben wirtschaftlich sein, soll ab dem Jahr 2023 die Planung für den nächsten Ausbauschritt beginnen: eine 700-MW-Elektrolyse bis zum Jahr 2030.<h2>Im industriellen Maßstab</h2>Der Ansatz des Reallabors verzahnt unterschiedliche Stoffkreisläufe innerhalb einer bestehenden regionalen Infrastruktur (Abbildung rechts): Die mit Windkraft erzeugte Energie liefert an der Raffinerie Heide durch Elektrolyse Wasserstoff. Parallel zum Elektrolysebetrieb soll über eine neue Pipelinetechnik ein Wasserstoffnetz zwischen der Raffinerie, den Stadtwerken, einem Kavernensystem und dem Erdgasnetz entstehen. Das Kavernensystem speichert den Wasserstoff und soll die Windenergie in einen kontinuierlichen Stoffstrom zur industriellen Nutzung überführen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/9tbOcEpRS3Okm9pSkzmg"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Wasserstofferzeugung und Dekarbonisierung im industriellen Maßstab. Aus Wasser entsteht mit Strom aus Windkraft Wasserstoff. Die Abwärme geht in das nah gelegene Gewerbegebiet, der Sauerstoff in die Zementproduktion, und der Wasserstoff dient vielen Anwendungen. Quelle: <a href="https://westkueste100.de" target="_blank">westkueste100.de</a></figcaption></figure>
<h2>Die chemischen Prozesse</h2>Das Elektrolyseverfahren erzeugt durch Strom Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn der für die Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, ist die Produktion CO2-frei.Für dieses Verfahren gibt es mehrere Techniken mit Vor- und Nachteilen. Die bisher bekanntesten Verfahren sind die alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membranelektrolyse (PEMEL) und die Festoxidelektrolyse (SOEL). Zu den weniger entwickelten Verfahren zählen die Hochfrequenzelektrolyse und die Salzwasser-Coelektrolyse.Die Verfahren unterscheiden sich etwa im Wirkungsgrad, im Reifegrad der Technik (technology readiness level, TRL), bei den Investitionskosten etwa für Maschinen und Gebäude, bei Lebensdauern, Produktreinheit, Kaltstartfähigkeit, Effizienz unter Teillast, den Katalysatoren sowie Druck- und Temperaturstufen. Ein sorgfältiges Technikscreening ist daher wichtig beim Forschungs- und Entwicklungsprojekt der Raffinerie Heide.<h2>Das Hydrocrackerverfahren</h2>Klassischerweise wird der erzeugte Wasserstoff in der Raffinerie unmittelbar weiterverwendet. Ein Beispiel ist die Herstellung von Dieseltreibstoff. Hier werden in einem Hydrocracker schwere Vakuumdestillate in leichtere und höherwertige Produkte umgesetzt.In diesem katalytischen Crack-Prozess finden Hydrierungs- und Dehydrierungsreaktionen sowie das Cracken von Kohlenwasserstoffketten statt. Stickstoffverbindungen werden in Ammoniak umgewandelt, unerwünschte Bestandteile wie Schwefel und Sauerstoff entfernt und stark verzweigte, gesättigte Kohlenwasserstoffe gebildet.<h2>Wasserstoff und Kohlendioxid</h2>Ziel des Projekts Westküste 100 ist es, langfristig nicht nur den grauen Wasserstoff im Raffinerieprozess zu ersetzen, sondern auch mit grünem H2 und CO2 synthetische Kohlenwasserstoffe für Transport und Industrie zu erzeugen.Deshalb sieht das Reallabor mehr als die regenerative Wasserstoffproduktion vor. Ein weiterer Schritt ist die Herstellung von Methanol aus H2 und CO2. Als mögliche CO2-Lieferanten bieten sich die Raffinerie selbst sowie ein regionaler Zementhersteller an. Hier ist geplant, die Zementherstellung auf das Oxyfuel-Verfahren umzustellen: Statt mit Luft wird dann mit fast reinem Sauerstoff verbrannt, der beispielsweise aus der Elektrolyse kommt.<h2>Flugbenzin aus Kohlendioxid</h2>Das CO2, das als Nebenprodukt aus dem Oxyfuel-Prozess kommt, ist sehr sauber. Es lässt sich auffangen und zu höherwertigen Produkten weiterverarbeiten (carbon capture and utilization, CCU). So entstehen zum Beispiel über einen Synthesegas-Zwischenschritt längerkettige synthetische Kohlenwasserstoffe. Zu deren Folgeprodukten gehört etwa Flugbenzin.Für diese Synthese gibt es verschiedene Techniken, darunter die Hochtemperatur-Fischer-Tropsch(HT-FT)-, die Niedertemperatur-Fischer-Tropsch(LT-FT)-, die Syngas-to-dimethylether(STD)-, die Conversion-of-olefin-to-distillate(COD)- und die Mobil-olefins-to-gasoline-and-distillate(MOGD)-Technik.Dies ist Gegenstand eines zweiten Forschungs- und Entwicklungsprojekts der Raffinerie Heide: Kerosyn 100. Es soll Kerosin als strombasierten Kraftstoff entwickeln und herstellen. Damit dies gelingt, werden die hierfür notwendigen Prozessschritte Methanol-to-Olefins, Olefins-to-Jet und die nachgelagerte Hydrierung zu einer industriefähigen Technik entwickelt.Um grünes Flugbenzin zu produzieren, setzt die Raffinerie auf die Methanol-Synfuels-Synthese. Dabei wird das Methanol in der Raffinerie in Kerosin – eine Mischung aus C9- bis C13-Kohlenwasserstoffen – umgewandelt. Dabei entstehen über Zwischenprodukte wie Dimethylether und Olefine langkettige Kohlenwasserstoffe, die durch Hydrierung zu flüssigen Treibstoffen wie Benzin, Diesel und Kerosin werden.<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Mit 30 Millionen Euro für das Projekt Westküste 100 hat das Bundeswirtschaftsministerium das erste Reallabor mit Fokus auf Wasserstofftechniken gestartet.Die Raffinerie Heide in Hemmingstedt wird Standort einer 30-MW-Elektrolyseanlage für Wasserstoff.Sie realisiert und erprobt eine regionale Wasserstoffwirtschaft im industriellen Maßstab.<h2>Die Autoren</h2>Den Beitrag verfassten Sandra Niebler und Jürgen Wollschläger. Niebler ist Verfahrensingenieurin und Bereichsleiterin Commercial &amp; Economics bei der Raffinerie Heide. Sie studierte Verfahrenstechnik bis zum Jahr 2002 in Erlangen und promovierte in Karlsruhe an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik. Seit dem Jahr 2005 ist sie im Raffineriegeschäft. Wollschläger ist seit dem Jahr 2013 Geschäftsführer der Raffinerie Heide. Seit dem Jahr 2000 ist er in der Raffineriebranche tätig. Zuvor absolvierte er ein Studium zum Wirtschaftsingenieur an der Fachhochschule Osnabrück.<div><img src="https://media.graphcms.com/VFgOx1RfRRqKGA8yGECj">

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