Prozessdesign optimiert Wasserstoffproduktion über sorptionsverstärktes Chemical-Looping-Dampfreformieren von Methan.
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Die Studie untersucht zwei Reaktoranordnungen für den sorptionsverstärkten Chemical-Looping-Dampfreformierungsprozess (SE-CL-SMR): Reformierung-Oxidation-Kalzinierung (R-O-C) und Reformierung-Kalzinierung-Oxidation (R-C-O), wobei NiO als Sauerstoffträger und CaO als CO2-Sorbens eingesetzt werden. Die thermodynamische Analyse mittels Aspen Plus V.14, ergänzt durch experimentelle Validierung mit einem multifunktionalen NiO/CaO–Ca5Al6O14-Material, zeigt, dass die R-O-C-Konfiguration aufgrund des günstigeren Wärmetransfers durch zirkulierende Feststoffe zwischen Oxidations- und Kalzinierungsreaktor eine höhere H2-Ausbeute und einen besseren thermischen Wirkungsgrad erzielt als R-C-O. Bei S/C = 3, CaO/C = 1, NiO/C = 0,5, 600 °C und 1 bar erreicht der Reformierungsreaktor 99 % H2-Reinheit bei 97 % CH4-Umsatz. Zur Erreichung thermischer Autarkie wird eine Verbrennungseinheit mit CH4 oder H2 als Brenngas einbezogen. Bei Verwendung von CH4 benötigt das R-O-C-System lediglich 22 Mol-% des Feedstroms für die Verbrennung und erzielt 2,61 mol H2/mol CH4 bei 75 % thermischem Prozesswirkungsgrad, erfordert jedoch zusätzliche CO2-Abscheideeinheiten. Mit H2 als Brenngas entsteht kein CO2 nach der Verbrennung, der thermische Wirkungsgrad sinkt jedoch auf 69 % (R-O-C) bzw. 66 % (R-C-O). Eine Pinch-Analyse belegt, dass Wärmetauschernetzwerke mit acht Einheiten den Bedarf an externer Heizleistung in allen Konfigurationen eliminieren. Die Studie demonstriert, dass die SE-CL-SMR-Technologie einen vielversprechenden Weg zur umweltfreundlichen Wasserstoffproduktion mit inhärenter CO2-Abscheidung bietet und bestehende SMR-Infrastruktur mit zukünftigen grünen Wasserstofftechnologien verbindet.
[1] N. Hemsap, et al. “Process design for sorption-enhanced chemical looping steam methane reforming: Selection of process configuration and combustible gas type.” International Journal of Hydrogen Energy 217 (2026) 153899.