Wasserstoff ist für den Übergang zu einer nachhaltigen, treibhausgasneutralen Wirtschaft von entscheidender Bedeutung. Als CO₂-neutraler Energieträger, Kraftstoff oder in Grundchemikalien, als Transport- und Speichermedium kann er Schwankungen in der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ausgleichen. Die Bereitstellung und Weiterentwicklung hierfür benötigter effizienter Katalysatoren für die H₂-Feingasreinigung und -Umwandlung sind eine Kernkompetenz von Heraeus Precious Metals.

Derzeit wird Wasserstoff primär aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Im Jahr 2022 erreichte die Wasserstoffproduktion einen Rekord mit 95 Mio. t – wiederum verbunden mit erheblichen CO₂-Emissionen. Die Nachfrage wird weiter signifikant zunehmen, weshalb regenerativ erzeugter Wasserstoff unabdingbar ist. Es zeichnen sich zwei dominierende Herstellpfade ab: gemeinhin bezeichnet als „blauer Wasserstoff“ aus fossilen Quellen mit CO₂-Speicherung und „grüner Wasserstoff“ aus der Elektrolyse von Wasser mittels erneuerbarer Energie. Für beide Routen ist die Speicherung und Reinigung des Wasserstoffgases essenziell, wobei katalytischen Prozessen und insbesondere dem Einsatz von Edelmetallkatalysatoren eine tragende Rolle beizumessen ist.

Für die Herstellung von H₂ durch Elektrolyse gibt es zahlreiche Verfahren. Unberührt von der konkret eingesetzten Technologie ist die Prozesskette der Wasserstoffbereitstellung jedoch meist identisch. Zunächst wird Wasser mit Hilfe erneuerbarer elektrischer Energie in die Elemente H₂ und O₂ gespalten. Die Separierung der beiden Stoffströme im Elektrolyseur ist hierbei jedoch nicht optimal. Abhängig von der weiteren Verwendung des Wasserstoffs sind diverse Aufbereitungsschritte (Trocknung, Verflüssigung) vor der Nutzung oder Speicherung notwendig. Die Entfernung von Sauerstoffverunreinigungen ist dabei für jede nachgelagerte Anwendung des Gases unverzichtbar, da dieser nicht nur bei der Nutzung in Brennstoffzellen oder in katalytischen Folgeprozessen stört, sondern auch aus Sicherheits­aspekten zu berücksichtigen ist. Im industriellen Maßstab sind für die O₂-Entfernung Verfahren etabliert, etwa Adsorptionsmethoden (PSA, TSA), Membrantrenn- und Kryoverfahren. Pragmatisch ist aber die einfache katalytische O₂-Umsetzung.

Katalytische Herausforderungen bei der Wasserstoffreinigung

Nachfolgend wird der bewährte Einsatz heterogener Edelmetallkatalysatoren zur Feinreinigung von Wasserstoff als gängiges, leicht umsetz- und skalierbares Verfahren vorgestellt. Es werden wesentliche Faktoren für die Auswahl sowie die Vorteile der anwendungsspezifischen Nutzung von Materialien aus dem HeraPur-Katalysatorportfolio aufgezeigt, die ein effizientes Design der gesamten H₂-Aufbereitungskette ermöglichen. Heraeus hat über 30 Jahre Erfahrung als Produzent und Lieferant von Katalysatoren für Gasreinigungsprozesse.

Ausgehend von neuen Anforderungen, die sich aus der Produktion von Elektrolysewasserstoff ergeben, wurden frühzeitig Arbeiten zu einer neuen Generation maßgeschneiderter HeraPur-Katalysatoren angestoßen, diese kommerzialisiert und zur Marktreife geführt. Die Entwicklung wurde einerseits durch die geforderte Performanceoptimierung der H₂-Reinigung, andererseits durch wirtschaftliche Aspekte zur Minimierung der Edelmetallkosten vorangetrieben. Platin- und Palladium-Katalysatoren sind prädestinierte Systeme, die O₂ effektiv bereits bei Temperaturen deutlich unter 60 °C entfernen können. Dies erlaubt den Einsatz kompakter Festbett-Reaktoren, wodurch Katalysatoren wesentlich zu einer allgemeinen Prozessintensivierung und Energieeinsparung beitragen.
Elektrolysewasserstoff enthält technisch bedingt Sauerstoffverunreinigungen.
 

„Eine auf die spezifischen Anforderungen abgestimmte Katalysatorlösung ist entscheidend für die Effizienz des Gesamtsystems.“

Der O₂-Gehalt in Wasserstoff kann von wenigen 100 ppmv bis zu 0,6 Vol.- % und mehr variieren und wird in erster Linie von der Elektrolysetechnologie und den Betriebsbedingungen beeinflusst. Die Sauerstoffgrenzwerte nachgelagerter Prozesse unterscheiden sich je nach Anwendung erheblich. Für viele katalysierte Reaktionen oder für Anwendungen in der Elektronik- und Halbleiterindustrie ist die Entfernung von Sauerstoff auf niedriges ppm- bis hin zum ppb-Niveau zwingend, da Restsauerstoff zu einer schnellen Degradation oder Deaktivierung eingesetzter Materialienführen kann. Bei Brennstoffzellen definiert die ISO 14687 verschiedene zulässige Wasserstoffreinheitsgrade (O₂ begrenzt: 5 – 200 ppm). Die Bandbreite verdeutlicht, dass eine auf die spezifischen Anforderungen abgestimmte Katalysatorlösung entscheidend für die Effizienz des Gesamtsystems ist.

Katalysatoren mit feinverteilten Edelmetallkomponenten

Platin und Palladium haben sich als Materialien für die Niedertemperatur-Wasserstoffoxidation etabliert. Heraeus Expertise liegt in der Herstellung von Katalysatoren mit feinverteilten Edelmetallkomponenten auf stabilen, hochporösen Trägermaterialien im industriellen Maßstab, mit denen maximale O₂-Umsätze bei minimalem Edelmetalleinsatz erzielt werden können. Im Zuge der Materialentwicklung führt Heraeus dazu katalytische Belastungstests an den Katalysatoren durch, die auf Anwendungen für Elektrolyseure zugeschnitten wurden. Unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen – bei niedrigen Temperaturen und sehr hohen Raumgeschwindigkeiten – werden Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien hervorgehoben. Ein Pt-Katalysator kann hierbei exemplarisch etwa einen Umsatz von ca. 98,5 % O₂ zeigen, während ein angepasster bimetallischer Pt-Pd-Katalysator unter identischen Bedingungen noch immer mehr als 99,9 % Umsatz erzielt. Beide Werte bewegen sich nahe des Vollumsatzes – abhängig der nachfolgenden Wasserstoffnutzung kann dieser geringe Unterschied jedoch bereits entscheidend für ein Einhalten der O₂-Zielwerte sein.

H₂ und O₂ können, katalysiert von Edelmetallen, bereits unterhalb von Raumtemperatur reagieren. In der Praxis existieren jedoch Einschränkungen hinsichtlich der sinnvoll nutzbaren unteren Temperaturgrenze, was eine Anpassung der Betriebsbedingungen und die gezielte Auswahl des optimalen Edelmetallgehalts erfordert. Ein entscheidendes Kriterium für den geeigneten Katalysator und das Reaktordesign stellt Wasser im Gasstrom dar. Nahe vollständiger Sättigung kann es zu deutlichen Auswirkungen auf die Katalysatoraktivität kommen, was insbesondere für Reinstwasserstoff relevant ist.

Pt- und Pd-Katalysatoren verhalten sich hinsichtlich ihrer Wassertoleranz bei der O₂-Entfernung bei tiefen Temperaturen unterschiedlich, so dass die genaue Kenntnis der Zusammensetzung des Feeds und der geforderten H₂-Reinheit entscheidend für die Wahl des Katalysators ist. Stark schwankende Energieverfügbarkeit und ein resultierender schwankender H₂-Massenstrom muss in der Planungsphase ebenso berücksichtigt werden. In enger Kooperation mit dem Kunden wird daran gearbeitet, das technisch beste und wirtschaftlichste Design jeder individuellen katalytischen Reinigungsstufe zu definieren.

Zusammenfassung

Edelmetalle sind zentrale Elemente der Prozesskette zur Erzeugung und Nutzung von erneuerbarem Wasserstoff. Ihre Rolle ist entscheidend für die Applikation von Elektrolyse-Wasser­stoff in der zukünftigen Industrie­landschaft. HeraPur-Gasreinigungskatalysatoren bieten dazu optimierte und effiziente Lösungen für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft. Über etablierte Recyclingprozesse lassen sich die Edelmetalle mit Ende der Katalysatorlaufzeit nahezu vollständig rückgewinnen.

Stefan Nottelmann, Application Engineer; Ilaria Longobardo, Sales Managerin; Christian Breuer, Global Technology and Application Manager, Heraeus Precious Metals, Hanau

Zur Person

Christian Breuer studierte Chemie an der Technischen Universität Darmstadt, wo er auch im Bereich der Technischen Chemie promovierte. Er kam 2009 zu Heraeus und arbeitete in verschiedenen Positionen mit den Schwerpunkten Entwicklung, Anwendung, Vertrieb und Marketing von Edelmetallkatalysatoren. In seiner jetzigen Position als Global Technology and Application Manager ist er der technische Leiter des globalen Vertriebsteams für Prozess- und Emissionskatalysatoren von Heraeus Precious Metals. Ein aktueller Schwerpunkt liegt dabei derzeit auf katalytischen Anwendungen in der aufkommenden Wasserstoffwirtschaft.

Zur Person

Ilaria Longobardo ist Sales Managerin bei Heraeus Precious Metals. Sie arbeitet seit 2017 bei Heraeus, schloss ihr BWL-Studium mit einem M.Sc. ab und vertiefte ihr Know-how über Edelmetallkatalysatoren und -recycling stetig. Seit 2022 arbeitet sie im Bereich heterogene Emissions- und Chemiekatalysatoren an der Erweiterung des Produktportfolios und dem Aufbau neuer Beziehungen zu Schlüsselkunden.

Zur Person

Stefan Nottelmann studierte Verfahrenstechnik an der TU Freiberg und arbeitet seit Anfang 2024 als Application Engineer im Bereich heterogener Chemie- und Abgaskatalysatoren bei Heraeus Precious Metals. In dieser Rolle ist er Ansprechpartner für alle technischen Fragestellungen und agiert als Schnittstelle zwischen Kunden, Vertrieb und den internen Fachbereichen.