Grüner Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger einer CO₂-freien Energieversorgung. Das Erdgasnetz für eine flächendeckende Verteilung von Wasserstoff zum Verbraucher zu nutzen, ist machbar, wenn sich beide Stoffe am Zielort bedarfsgerecht wieder trennen lassen. Dieses soll eine Kohlenstoffmembran leisten, die vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS zusammen mit der DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH entwickelt wurde.

Im Rahmen der Projektinitiative HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions Germany) soll eine intelligente Infrastruktur aus Verteilernetzen und Speicherstationen geschaffen werden, mit der Wasserstoff in allen Regionen Deutschlands verfügbar gemacht wird. Dabei verfolgen die Projektpartner unter anderem den Ansatz, das 511.000 km lange Gasnetz in Deutschland mit seinen insgesamt 33 Orten mit Gasspeichern dafür zu nutzen. »Dieser Infrastrukturvorteil erlaubt es, ins Erdgasnetz zusätzlich Wasserstoff einzuspeisen. Beide Stoffe können gemeinsam in einer Leitung transportiert werden. Am Zielort lassen sie sich bedarfsgerecht wieder voneinander trennen«, erklärt Dr. Adrian Simon, Gruppenleiter am Fraunhofer IKTS.

Hauchdünne Kohlenstoffschichten auf poröser Keramik

Zur Herstellung der ultradünnen Kohlenstoffmembranen auf dem keramischen Trägermaterial (s. REM-Aufnahme) werden Polymere auf dem Trägermaterial aufgebracht und unter Sauerstoffausschluss erhitzt. Übrig bleibt eine Kohlenstoffschicht, die Poren von unter einem Nanometer Weite aufweist. Damit eignen sie sich sehr gut zur Gastrennung. Zusätzlich lässt sich das Trennverhalten durch physikalische und chemische Prozesse noch weiter einstellen.

Beim Trennprozess wird das Gemisch in das Innere der röhrenförmigen Module geleitet. Die Wasserstoffmoleküle permeieren bevorzugt durch die Membran nach außen, während der überwiegende Anteil des Methans zurückbleibt. In einer ersten Aufbereitungsstufe erhält man Wasserstoff mit einer Reinheit von 80 %. In einer zweiten Trennstufe lässt sich eine Reinheit von über 90 % erzielen.

Aufnahme im Rasterelektronenmikroskop: Kohlenstoffmembran mit einer Schichtdicke von weniger als 1 µm (© Fraunhofer IKTS)

Funktionsprinzip einer Membran. Eingangsseitig wird die Gasmischung auf die Membran aufgegeben. Die kleinen Wasserstoffmoleküle passieren die Membran und das größere Methanmolekül wird zurückgehalten. (© Fraunhofer IKTS)

Anwendungen in der Stahlproduktion und zur Strom- und Wärmeversorgung

Wasserstoff in dieser Reinheit lässt sich für verschiedene Anwendungen nutzen, beispielsweise in der Stahlproduktion. Hier ersetzt er im Hochtemperaturofen den Kohlenstoff bei der Reduktion von Eisenerz zu Eisen und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur CO₂-Reduktion. Bei der Verbrennung in Blockheizkraftwerken entstehen Strom und Wärme, als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an. Damit können einzelne Gebäudekomplexe oder gar ganze Stadtquartiere mit sauberem Strom und Wärme beliefert werden.

Derzeit arbeiten die Forschenden des Fraunhofer IKTS daran, die Technik so zu skalieren, dass auch größere Gasvolumina auf diese Weise getrennt werden können. Hierfür ist der Bau von Prototypen bereits in Planung.