Plasmalyse: Grüner Wasserstoff aus schmutziger Brühe?

Grünen Wasserstoff aus Abwasser, Gülle oder pflanzlichen Rückständen gewinnen – und das zu marktfähigen Preisen: Das Berliner Technologieunternehmen Graforce hat mit der Plasmalyse ein Verfahren entwickelt, das die Herstellung von Wasserstoff vereinfachen und kostengünstiger machen soll.

Grüner Wasserstoff wird heute bereits in größeren Anlagen mittels Elektrolyse und erneuerbarem Strom klimaneutral hergestellt. Das ist derzeit noch vergleichsweise teuer, auch wenn hier mit Effizienzgewinnen, etwa durch eine Skalierung auf industrielle Maßstäbe, zu rechnen ist. So sind die Weiterentwicklung der Elektrolysetechnologie und der Ausbau der Kapazitäten auf mindestens 5 Gigawatt bis zum Jahr 2030 wichtige Bausteine der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung.

Mit Plasmalyse klimaneutralen Wasserstoff gewinnen

Das Unternehmen Graforce geht mit seinem patentierten Verfahren „Plasmalyse“ für die Gewinnung von klimaneutralem Wasserstoff einen anderen Weg. „Plasmalyse“ ist ein Kunstwort, gebildet aus Plasma und Lyse (altgriechisch λύσις oder lysis für „[Auf-]Lösung“). Im sogenannten „Plasmalyzer“ (ebenfalls ein Kunstwort) wird Schmutzwasser, das in Biogas-, Klär- oder Industrieanlagen anfällt, mithilfe eines starken elektrischen Feldes in die Bestandteile Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff aufgespalten. Während Sauerstoff und Stickstoff in die Luft entweichen, wird der so gewonnene Wasserstoff mit Biogas gemischt. Der Wasserstoff wird zu 30 Prozent Biomethan zugesetzt. Das E-Gas-Gemisch verbessert nach Unternehmensangaben im Praxiseinsatz die Motoreneffizienz um 6 Prozent und verringert gleichzeitig die verschiedenen Schadstoffemissionen (CO₂, CO, HC, NO_x, Rußpartikel) um 20 bis 70 Prozent. Eine entsprechende Testanlage am Firmenstandort von Graforce im Zentrum für Photovoltaik und Erneuerbare Energien in Berlin-Adlershof soll die Praxisreife der Plasmalyse-Technologie demonstrieren. In dem weitgehend automatisch arbeitenden Komplex von der Größe eines Buswartehäuschens entsteht Wasserstoff durch die Zerlegung von Abwasser, in diesem Fall von Zentrat- und Brüdenwasser. Dies stellen die Berliner Wasserbetriebe, die als Projektpartner fungieren, zur Verfügung. Einen Teil des benötigten Stroms liefern die PV-Module am Gebäude des Zentrums für Photovoltaik und Erneuerbare Energien.

Foto: Graforce

Schmutzwasser verspricht höhere Wasserstoffausbeute

„Üblicherweise wird Wasserstoff mit der klassischen Elektrolyse aus reinem Wasser hergestellt. Wir bedienen uns der Plasmaphysik, wodurch wir Wasser berührungslos in seine Elemente aufspalten können“, erklärt Dr. Jens Hanke, Gründer und Geschäftsführer von Graforce. Daher könne Schmutzwasser verwendet werden, was mit Blick auf die Wasserstoffgewinnung von Vorteil sei. „Denn je mehr Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen darin enthalten sind, desto besser“, so Hanke. Zum Beispiel Ammonium (NH₄). Ammonium hat mit seinen vier Wasserstoffatomen die doppelte Menge Wasserstoff wie Wasser (H₂O). In Wasser ist der Wasserstoff zudem stärker gebunden, „sodass mehr Energie nötig ist, um ihn herauszulösen“, erklärt Hanke.

Elektrisches Feld erzeugt Plasma

Bei dem Verfahren wird im Plasmalyzer ein starkes elektrisches Feld mit mehreren Tausend Kilovolt erzeugt. Dieses wiederum entlädt sich in Blitzen, die ein Plasma entstehen lassen. Dabei bildet sich Wasserstoff, der mittels einer speziellen Membran vom übrigen Gasgemisch abgetrennt wird. Diese beiden Reaktionen werden im Plasmalyzer vereinigt.

Der energetische Aufwand, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, ist bei der Plasmalyse weit geringer als bei der Elektrolyse. Er liegt nach Angaben von Graforce bei nur einem Fünftel einer klassischen Elektrolyse. Der Wasserstoff könne daher zu einem Preis von rund drei Euro pro Kilo statt gegenwärtig sechs bis acht Euro pro Kilo aus Wasser hergestellt werden (bei acht Cent an Stromkosten pro kWh). Wird Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet, läuft das Verfahren völlig klimaneutral.

Klärwerke und Biogasanlagen sind geeignete Standorte

Abwässer aus Siedlungen oder Industrieanlagen sind eine teure Umweltlast. Und bei Klärwerken und Biogasanlagen sind die Überbleibsel aus Harnstoff, Aminosäuren, Nitraten und Ammonium ein Problem, wenn es nicht genügend Fläche gibt, um sie als Pflanzendünger auszubringen. Für solche Standorte kommt das Plasmalyse-Verfahren infrage. Durch die mögliche Ammoniumaufspaltung, aber auch die Ausfällung von Phosphor, würde gleichzeitig die Belastung der Böden verringert. Das wiederum empfiehlt das Verfahren für Gebiete, in denen etwa durch hohe Viehdichte und die damit verbundenen Biogasanlagen die Gefahr einer Überdüngung besteht. Graforce ist diesbezüglich mit einigen Interessenten im Nordwesten Deutschlands, wo genau diese Gefahr besteht, im Gespräch. Allerdings braucht es für eine Realisierung nach Angaben des Unternehmens noch einer abfallrechtlichen Regelung. Erste Gespräche mit Klärwerksbetreibern laufen auch schon. Anlagen sind für die Berliner Klärwerke Waßmannsdorf und Schönerlinde geplant. Diese sollen das Schmutzwasser liefern und wollen im Gegenzug das gewonnene grüne Gas für ihre Erdgasflotte verwenden. Der Aufwand des Verfahrens, so die Wasserwerke, sei niedriger, als die Reste des Klärprozesses zu entsorgen und Erdgas für die Autos zu kaufen. Auch eine Nutzung in Blockheizkraftwerken sei möglich.

Die Plasmalyse ist nach Auskunft von Graforce derzeit das einzige Verfahren weltweit, bei dem aus industriellem Schmutzwasser oder Gülle kostengünstig und klimaneutral Wasserstoff erzeugt werden kann. Die nach diesem Prinzip arbeitenden Anlagen verarbeiten momentan zwischen 2,2 und 5,0 Kubikmeter Schmutzwasser pro Stunde. Im nächsten Jahr will Graforce Anlagen in der Größenordnung von 10 bis 40 Kubikmeter Schmutzwasser pro Stunde ausliefern. Abhängig vom Ammoniumgehalt im Schmutzwasser, können damit täglich 20 bis 70 Kilogramm grüner Wasserstoff und 80 bis 280 Kilogramm Stickstoffgas extrahiert und das Wasser gereinigt werden.

Audi will „plasmalysieren“

Mit Audi gibt es auch schon einen Autohersteller, der das Verfahren ganz konkret nutzen will. Die Audi Industriegas GmbH prüft in ihrem E-Gas-Projekt, ob die Technologie am Standort Werlte die Wasserstoffausbeute und damit die Gesamteffizienz der dortigen Abwasseranlagen und der Power-to-Gas-Anlage erhöhen kann. Die Plasmalyse wird dabei als ein wichtiger Beitrag für die Herstellung von emissionsarmen Kraftstoffen angesehen.

Grafik: Graforce

Aufbau einer Plasmalyzer-Anlage für ein Klärwerk

Die Abwässer aus Klärwerken, Biogas- oder Industrieanlagen enthalten einen hohen Anteil an Stickstoffverbindungen. Durch den Plasmaprozess werden das Wasser (H₂O) sowie darin enthaltene Stickstoffverbindungen (Harnstoff, Aminosäuren, Nitrate und Ammonium) in einzelne Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffatome aufgespalten. Diese verbinden sich anschließend neu. Das nun gereinigte Wasser kann wieder dem natürlichen Kreislauf zugeführt werden, während Sauer-, Stick- und Wasserstoff in eine Gasmembran geleitet und dort sortiert werden. Sauerstoff und Stickstoff entweichen in die Luft, der verbleibende grüne Wasserstoff wird in einen Tank gefüllt. Er kann anschließend zum Beispiel mit Biogas gemischt oder in der Chemieindustrie sowie in Raffinerien verarbeitet werden.

Foto: Burkhard Peter

Nachgefragt bei Dr. Jens Hanke,
Gründer und Geschäftsführer von Graforce

Welche Rolle werden grüner Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe für das Erreichen der Klimaschutzziele im Verkehrssektor spielen?

Die Klimaziele für den Verkehrssektor sind sehr ambitioniert. Wir müssen daher alle Chancen ergreifen, die zu einer Reduktion von Treibhausgasen führen. Sich auf eine einzige Technologie wie derzeit den Elektroantrieb zu fokussieren, ist dabei nicht zielführend.

Was leistet das Plasmalyseverfahren?

Organische und anorganische Verbindungen in industriellem Abwasser, Gülle, Kunststoff oder Gasen bergen ein riesiges Energiepotenzial. Mit der Plasmalyse haben wir ein Verfahren entwickelt, um aus diesen Reststoffen grünen Wasserstoff und weitere wertvolle Industriegase zu produzieren. Die Herstellung von Wasserstoff durch Plasmalyse benötigt im Vergleich zu bisherigen Elektrolyseverfahren wesentlich weniger Energie und ist günstiger.

Was sind die besonderen Herausforderungen des Plasmalyse-Betriebs?

Unsere Anlagen haben ein Wartungsintervall von sechs Monaten und müssen dann etwa zwei Stunden in ihrem Betrieb unterbrochen werden. Kunden müssen sich auf diesen Pro­zessstopp  einstellen. Die Plasmalyseanlage hat dann eine Hochlaufzeit von rund zwei Minuten. Da wir nicht das Wassermolekül spalten, erzeugen wir ein sicheres Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff.

Lässt sich das Verfahren noch weiter hochskalieren?

Ab einer Anlagengröße von mehr als fünf Kubikmetern pro Stunde brauchen wir ein Gebäude. Dann sind aber auch der Skalierung durch die Modulbauweise keine Grenzen gesetzt.

Welche nächsten Schritte planen Sie?

Seit geraumer Zeit gibt es ein großes, auch weltweites Interesse an unserer Plasmalysetechnologie. Mit namhaften Unternehmen in China, Australien und Indien befinden wir uns teils in der Projektierungsphase.

Quelle: raffiniert 2|2020