Forscher gewinnen Wasserstoff aus Methan ohne Kohlendioxid-Emissionen

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Basierend auf den bisher gesammelten Erkenntnissen sind IASS und KIT nun einen Schritt weiter gegangen. Ausgangspunkt war ein von Prof. Carlo Rubbia, Nobelpreisträger und früherer wissenschaftlicher Direktor am IASS, vorgeschlagener und auf Flüssigmetalltechnologie basierender neuer Reaktor. Bei diesem werden kleine Methanbläschen von unten in eine mit geschmolzenem Zinn gefüllte Säule gegeben. Während ihres Aufsteigens im flüssigen Metall findet die Cracking-Reaktion statt. Der Kohlenstoff wird an der Bläschenoberfläche abgeschieden und beim Zerfallen der Bläschen am oberen Ende des Reaktors als Pulver abgesetzt.

Zwischen Ende 2012 und Frühjahr 2015 wurden in der KIT-Anlage Kalla (Karlsruhe Liquid Metal Laboratory = Karlsruher Flüssigmetalllabor) mehrere Versuchsreihen gefahren. Dabei wurden verschiedene Parametereinstellungen und Optionen etwa für die Temperatur, Konstruktionswerkstoffe oder Verweilzeit untersucht. Das Ergebnis war eine 1,2 m hohe Vorrichtung aus Quarz und Edelstahl, in der sowohl reines Zinn als auch eine Mischung aus Zinn und Quarzfüllkörpern zum Einsatz kommen kann.

„Umwandlungsrate von bis zu 78 %“

„Während der zuletzt durchgeführten Versuche lief unser Reaktor ohne Unterbrechung über einen Zeitraum von zwei Wochen. Er erzeugte Wasserstoff mit einer Umwandlungsrate von bis zu 78 % bei Temperaturen von 1200 °C. Dieser kontinuierliche Betrieb ist entscheidend für einen zukünftigen industriell einsetzbaren Reaktor“, betont Prof. Thomas Wetzel, Leiter des Kalla-Labors am KIT. Der Reaktor ist korrosionsbeständig, Verstopfungen treten nicht auf, da das entstehende mikrogranulare Kohlenstoffpulver leicht abgetrennt werden kann. Der Reaktor verfügt damit über die technischen Voraussetzungen, die für den späteren Betrieb eines industriellen Reaktors erforderlich wären.

Die im Labormaßstab durchgeführten Versuche ermöglichen es nun abzuschätzen, wie sich das Cracken von Methan in ein zukünftiges Energiesystem integrieren ließe und somit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten könnte. Zu diesem Zweck arbeitet das IASS nun auch mit der RWTH Aachen zusammen. Gegenstand dieser Kooperation ist die Lebenszyklusanalyse (LCA) einer hypothetischen kommerziellen Anlage auf der Basis des nun erprobten Verfahrens.

Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Teil des produzierten Wasserstoffs zur Erzeugung der erforderlichen Prozesswärme verwendet wird. Im Rahmen der Lebenszyklusanalyse wurde das Cracken mit den Verfahren der Dampf-Methan-Reformierung (SMR) und der Wasserelektrolyse mit erneuerbarem Strom verglichen. Hinsichtlich der Emission von Kohlendioxid-Äquivalenten pro Einheit Wasserstoff zeigte sich, dass das Cracken von Methan mit der Wasserelektrolyse vergleichbar und über 50 % sauberer als das SMR-Verfahren ist.

Wirtschaftliche Aspekte des Methan-Crackens

Die Forscher des IASS haben außerdem wirtschaftliche Aspekte des Crackens von Methan untersucht. Die Kostenschätzungen unterliegen derzeit noch sehr großen Unsicherheiten, da das Verfahren noch nicht ausgereift ist. Vorläufige Berechnungen zeigen, dass bei den gegenwärtigen Erdgaspreisen in Deutschland Kosten in Höhe von 1,9 bis 3,3 Euro pro Kilogramm Wasserstoff entstehen würden, wobei der mögliche Marktwert des Kohlenstoffs noch nicht berücksichtigt wird.

KIT und IASS wollen nun die Reaktorauslegung und insbesondere den Prozess zur Kohlenstoffausschleusung optimieren und allmählich hochskalieren, um die Leistung zu erhöhen. „Unsere Versuchsergebnisse und alle ökologischen und wirtschaftlichen Analysen zeigen, dass das Cracken von Methan eine mögliche Option für den Umbau unseres Energiesystems ist“, sagt Prof. Rubbia. „Das Verfahren könnte die Rolle einer Brückentechnologie übernehmen. Mit ihr ließe sich das Energiepotenzial von Erdgas nutzen.“

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