Eine Chemie- und Petrochemieanlage im Sonnenaufgang

19. März 202411 min Lesezeit

Wie können wir die Industrie klimafreundlicher machen?

Wasserstoff für die Industrie – aber klimafreundlich

Die Industrie braucht große Mengen Wasserstoff. Doch bei seiner Herstellung mit derzeitigen Methoden entsteht das Klimagas Kohlendioxid. Um ihn auf klimafreundlichere Weise zu gewinnen, brauchen wir hoch spezialisierte Pumpen.

Tortendiagramm zur Verwendung von Wasserstoff in der deutschen chemischen Industrie

Ein entscheidender Grundstoff der Industrie

Ohne Wasserstoff geht in der Industrie nicht viel: Sie braucht ihn zum Beispiel für die Herstellung von Ammoniak, das wiederum ein Grundstoff für Dünger ist. Auch für die Produktion von Methanol, dem Ausgangsstoff für Chemikalien wie Formaldehyd oder Essigsäure, benötigt sie das Gas. Erdölraffinerien verwenden ihn zur Raffinierung von Mineralöl oder bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen.

Zudem könnte die Stahlindustrie Wasserstoff nutzen, um Roheisen ohne Kohlendioxid-Ausstoß herzustellen. Schließlich ist sie die Branche mit dem größten Anteil an Treibhausgasemissionen in der Industrie: Rund 30 Prozent der industriellen Emissionen und etwa sechs Prozent der Gesamtemissionen in Deutschland entfallen auf die Stahlindustrie.

Leider entstehen bei der Gewinnung von Wasserstoff selbst große Mengen Kohlendioxid. Dieses entweicht in die Atmosphäre und treibt die Klimaerwärmung voran. Woran liegt es, dass bei der Wasserstoffproduktion so viel CO₂ frei wird?

Erdgas ist die wichtigste Quelle für Wasserstoff

Etwa 95 Prozent des heute in der Industrie verwendeten Wasserstoffs sind sogenannter „grauer“ Wasserstoff. Er wird aus Erdgas gewonnen – chemisch „Methan“ genannt. Dabei wird das Verfahren der Dampfreduktion (englisch: Steam Methane Reforming, SMR) verwendet, bei dem heißer Wasserdampf unter hohem Druck mit Erdgas vermischt und einem Katalysator zugeführt wird. Als Ergebnis einer Reaktionskette entstehen Wasserstoff und Kohlendioxid.

Eine Weiterentwicklung der Dampfreformierung ist die autothermale Reformierung (englisch: Autothermal Reforming, ATR). Dieses Verfahren erzeugt die benötigte Hitze durch partielle Oxidation direkt in der Reaktionskammer. Ein separater Erdgasbrenner, der Methan ausschließlich zur Wärmeerzeugung verbrennt, ist daher nicht erforderlich. Aus diesem Grund ist die ATR-Methode energieeffizienter als das konventionelle Steam-Methane-Reforming-(SMR)-Verfahren.
Trotzdem produzieren beide Methoden große Mengen an Kohlendioxid – rund zehn Tonnen für jede produzierte Tonne Wasserstoff. Wie lässt sich Wasserstoff also umweltfreundlicher herstellen?

Aus Strom und Wasser entsteht grüner Wasserstoff

Der nachhaltigste Weg zur Wasserstoffproduktion ist die Elektrolyse. Bei diesem Verfahren zerlegt ein Elektrolyseur Wasser (H₂O) mithilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile: Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, ist der produzierte Wasserstoff klimaneutral. Man bezeichnet ihn daher als „grünen Wasserstoff“.

Ein Nachteil der Wasserelektrolyse ist ihr hoher Energiebedarf. Während die Dampfreformierung etwa 15 Megawattstunden Energie für die Produktion von einer Tonne Wasserstoff benötigt, beansprucht die Elektrolyse 50 Megawattstunden. Diese Energie muss als Strom aus erneuerbaren Energien bereitgestellt werden, damit der Wasserstoff wirklich klimaneutral ist.

Infografik mit einem Vergleich von Bedarf und Produktion von Wasserstoff

Grüner Wasserstoff braucht noch Zeit

Grüner Wasserstoff wäre die ideale Lösung. Leider steht er heute und in naher Zukunft noch nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Beispiel Deutschland: Der Koalitionsvertrag der Bundesregierung sieht vor, in Deutschland Elektrolyseure mit einer Kapazität von insgesamt 10 Gigawatt Leistung bis 2030 zu installieren.

Diese würden eine Menge Wasserstoff erzeugen, welche 30 Terawattstunden (TWh) Energie enthält. Zum Vergleich: Das ist etwa der Stromverbrauch von 300 000 deutschen Haushalten pro Jahr. Ob dieses Ausbauziel erreicht wird, ist noch unklar.

In ihrem Wasserstoff-Kompass rechnen die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V. (acatech) und die Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e. V. (DECHEMA) jedoch mit einer Nachfrage von mindestens 50 TWh und maximal 250 TWh im Jahr 2030. Es besteht also erheblicher Handlungsbedarf, um diese Lücke zu füllen.

Blauer Wasserstoff ist eine realistische Lösung für den Übergang

Bis die Elektrolyseverfahren zur Wasserstoffgewinnung ausgereift sind und ausreichende Kapazitäten für die Produktion von grünem Wasserstoff bestehen, könnte „blauer“ Wasserstoff als Zwischenlösung fungieren. Dieser wird wie der konventionelle graue Wasserstoff durch Dampfreformierung von Erdgas erzeugt, doch im Unterschied dazu wird das dabei entstehende CO₂ mithilfe der CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage; deutsch: Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) abgeschieden und gespeichert, anstatt in die Atmosphäre freigesetzt zu werden. Anschließend lässt sich das CO₂ per Schiff oder Pipeline zu unterirdischen Einlagerungsstätten transportieren.

Versiegte Gas- und Öllagerstätten in der Nordsee könnten für die Einlagerung von CO₂ genutzt werden. Dort ließe sich das CO₂ unter Druck in tiefe, poröse Sandsteinschichten einpressen, wo es langfristig mit dem Gestein reagiert und sich mineralisiert. Das kilometerdicke Deckschichtgestein verhindert, dass das Kohlendioxid aus den Speicherstätten entweicht.

Blauer Wasserstoff, der kurzfristig für die Industrie bereitsteht, profitiert bereits von der langjährigen Erfahrung mit der CO₂-Speicherung, wie das Beispiel des Sleipner-Projekts, 250 Kilometer vor der norwegischen Küste, zeigt.

Diese Technologie könnte uns als Übergangslösung dienen, um die Klimaziele schneller zu erreichen, während parallel die Infrastruktur für grünen Wasserstoff entwickelt wird.

Infografik mit Vergleich des CO₂-Ausstoßes pro Kilogramm Wasserstoff bei verschiedenen Herstellungsverfahren

Wie nachhaltig ist blauer Wasserstoff?

Wie klimafreundlich ist blauer Wasserstoff? Studien zeigen, dass er annähernd so nachhaltig sein kann wie grüner Wasserstoff, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: Zum einen muss bei der Reformierung des Erdgases eine Technologie eingesetzt werden, die das Abscheiden von über 90 Prozent des Kohlendioxids erlaubt.

Derart hohe Abscheideraten sind mit dem ATR-Verfahren besser zu erreichen als mit dem SMR-Verfahren, da es keinen zusätzlichen Ofen zur Erzeugung von Hitze benötigt.

Zweitens müssen bei der Förderung und beim Transport von Erdgas Lecks vermieden werden. Weil Methan ein hohes Treibhauspotenzial hat, dürfen seine Emissionen nicht mehr als ein Prozent der Fördermenge betragen.

Nach Daten der International Energy Agency ist dies bereits in Ländern wie Norwegen, Großbritannien oder den Niederlanden der Fall. Unter diesen Bedingungen entstehen bei der Produktion von blauem Wasserstoff 2 bis 3,5 Kilogramm CO₂-Äquivalent pro Kilogramm Wasserstoff – Werte, die vergleichbar sind mit der Herstellung von grünem Wasserstoff.

KSB hat jahrzehntelange Erfahrung mit der Wasserstoffproduktion

Sowohl für die Produktion von Wasserstoff als auch für das Einfangen, Transportieren und Speichern von CO₂ sind hoch spezialisierte Pumpen und Armaturen notwendig. Sie befördern nicht nur das unter Druck verflüssigte Kohlendioxid, sondern auch Absorbien wie Aminlösungen. Diese binden das Gas – ähnlich wie sprudelndes Mineralwasser. Zudem benötigen CCS-Anlagen Prozesswasser und besitzen zahlreiche wasserführende Kühlkreisläufe. Dafür müssen sie gegen Leckagen gesichert und beständig gegen Korrosion sein, da gelöstes Kohlendioxid und Aminlösungen korrosiv sein können. Entscheidend ist auch zu verhindern, dass sich in den Systemen Zonen niedrigen Drucks bilden, in denen das Kohlendioxid vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dies erfordert viel praktische Erfahrung.

KSB hat hier den Vorteil, die Prozesse der chemischen Industrie sehr gut zu kennen. Wir blicken auf jahrzehntelange Erfahrung mit der Erzeugung von grauem Wasserstoff zurück. Das bringt uns auch bei der Produktion von blauem Wasserstoff weiter. Auf einem temporären Versuchsstand in Frankenthal haben wir die Einflussfaktoren detailliert auf den Aggregatzustand von Kohlendioxid untersucht. So konnten wir die effizienteste Pumpe und den richtigen Betriebsbereich für die jeweilige Aufgabe im CCS-Prozess finden und unsere Kunden entsprechend beraten.

Dieser Wissensvorsprung zahlt sich aus: „Unser einzigartiges Know-how in der Pumpentechnologie und die globale Zusammenarbeit in den lokalen Vertriebsniederlassungen haben KSB im Jahr 2023 ein außergewöhnliches Jahr im Bereich der ,blauen‘ Dekarbonisierungsprojekte beschert“, sagt Renato Schioser Fragnani, Market Development Manager für den Bereich Chemie und Petrochemie bei KSB.

„Unsere Kunden haben den Wert unserer innovativen technischen Lösungen erkannt, die greifbare, nachhaltige Lösungen als Teil des Vorstoßes der Industrie zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen liefern.“

Vielseitige Pumpen für extreme Bedingungen

Welche Pumpen werden nun typischerweise in CCS-Anlagen eingesetzt? In kleineren Systemen, die zwischen 10 000 und 100 000 Tonnen CO₂ pro Jahr verarbeiten, setzen Industrieunternehmen häufig die wellendichtungslose Spiralgehäusepumpe Magnochem ein.

Deren rotierende Welle führt nicht durch das Gehäuse und benötigt daher keine Dichtung, die undicht werden könnte. Eine Magnetkupplung überträgt das Drehmoment berührungslos vom Motor ins Innere des Pumpengehäuses. Dadurch ist die Chemienormpumpe hermetisch dicht und abgesichert gegen Leckagen.

Die Pumpe erfüllt die höchsten Qualitätsstandards nach ISO 5199. Sie ist in einer Vielzahl von Werkstoffvarianten, einer robusten Ausführung bis 40 bar und auch nach API 685 erhältlich. Ihre große Auswahl an Hydraulikgrößen und Magnetkupplungen bietet maximale Flexibilität.

Die wellendichtungslose Spiralgehäusepumpe Magnochem

Die mehrstufige Hochdruck-Mantelgehäusepumpe CHTR nach API 610

Zuverlässig und einfach zu warten

In größeren Anlagen, die etwa eine Million Tonnen CO₂ pro Jahr verarbeiten, kommen Pumpen nach der Industrienorm API 610 / ISO 13709 zum Einsatz. So zum Beispiel beidseitig gelagerte, mehrstufige Pumpen wie die CHTR (Typ BB5).

Bei diesem Aggregat sorgen Lager auf beiden Seiten der Laufräder für eine gleichmäßige Lastenverteilung bei hohem Druck oder größeren Fördermengen. Sie ist auf höchste Zuverlässigkeit und einfache Wartbarkeit ausgelegt: Ein optimiertes Design gleicht Druckunterschiede aus und reduziert so den Axialschub entlang der Welle, der zu den Hauptfaktoren für die Abnutzung von Lagern und Dichtungen zählt.

Starke Wälz- oder Axialsegmentlager halten die Laufräder in axialer Position und nehmen den verbleibenden Axialschub auf. Gleitringdichtungen und Lager können ohne Öffnen der Pumpe gewartet werden.

Sichere Armaturen für optimale Flusssteuerung

Genauso wichtig wie Pumpen sind für die Produktion von blauem Wasserstoff Armaturen. Hier nutzen Unternehmen gerne doppelt exzentrische Absperrklappen mit Plastomer-Sitz wie die DANAÏS 150. Plastomer-Materialien sind beständig gegenüber Chemikalien, verbessern die Dichtungseigenschaften und verringern den Verschleiß im Vergleich zu herkömmlichen Sitzmaterialien.

Oft nutzen Betreiber von CCS-Anlagen auch käfiggeführte Einsitz-Regelventile. Dabei handelt es sich um Ventile mit einer einzelnen Absperrklappe, die von einem Käfig oder Rahmen gestützt wird. Diese Art setzen Industrieunternehmen häufig ein, wenn sie eine genaue Steuerung des Medienflusses benötigen.

Für die Verflüssigung des Kohlendioxids nutzen sie metallisch dichtende Absperrklappen aus Edelstahl. Der metallische Kontakt zwischen der Klappenoberfläche und der Sitzfläche sorgt für eine zuverlässige Abdichtung und minimiert das Risiko von Leckagen.