Erzeugung türkiser Wasserstoff

Türkiser Wasserstoff durch Methan-Pyrolyse

Die klimaneutrale Wasserstoff-Bereitstellung stellt einen Schlüssel zur Erreichung der globalen Klimaziele dar. Eine vielversprechende Technologie kann dabei in der Methan-Pyrolyse gesehen werden. Dabei wird der Hauptbestandteil von Erdgas, Methan, unter Sauerstoffausschluss in die Produkte Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Die Nutzungsmöglichkeiten der Produkte sind vielfältig. Klimaneutraler Wasserstoff wird als Energieträger in Industrie, Verkehr und im Wärmesektor eingesetzt. Im Vergleich zur konventionellen Wasserstoffroute aus Erdgas, der Dampfreformierung, ist die Methanpyrolyse ein Prozess ohne CO2-Emissionen. Wird Biogas oder Biomethan als Ausgangsmaterial genutzt, wird der Umgebung CO2 entzogen – es kommt zu einer negativen CO2-Bilanz. Wie das geht, zeigt das Siegerprojekt des Innovationspreises der deutschen Gaswirtschaft 2020 in der Kategorie "Effiziente Energiekonzepte" MOA2Heat der Graforce GmbH.

Der feste Kohlenstoff (Graphit/Kohlenstoffnanoröhren) ist ein vermarktungsfähiges Nebenprodukt, welches anderen Sektoren (Stahl- und Kohlefaserproduktion; Zementindustrie, oder als Anode in Lithium-Ionen-Batterien/Batteriefertigung) hilft Emissionen zu reduzieren. Der Einsatz von Kohlenstoff als Verbundwerkstoff, Füllstoff oder Baumaterial für emissionsintensive Industrien oder als Bodenverbesserungsmittel stellen weitere Märkte des Kohlenstoffs dar. Synthetischer Graphit kann auch den natürlich vorkommenden Graphit ersetzen, der zum Großteil in China abgebaut wird. Nach zusätzlichen industriellen Schritten kann aus Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) auch Graphen hergestellt werden. Graphen als relativ neuartiges Material ist für seine hohe Festigkeit und Leitfähigkeit bekannt und wird zunehmend für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automotive-Bereich, bei Windkraftanlagen und im Bauwesen genutzt.

Forschungsprojekte zur Methan-Pyrolyse

Da der Energieträger Wasserstoff für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende eine entscheidende Rolle spielt, fördert die Bundesregierung die weitere Erforschung der Methan-Pyrolyse. Denn für den immer weiter wachsenden Bedarf werden die bestehenden Herstellungsverfahren von Wasserstoff nicht ausreichen. Mit dem Pyrolyseverfahren kann Erdgas in klimafreundlichen Wasserstoff umgewandelt werden. Vorteil des Verfahrens: Es wird wesentlich weniger Energie zur Herstellung von Wasserstoff aufgewendet als bei der Wasserelektrolyse für grünen Wasserstoff.

Methan-Pyrolyse: Auch wirtschaftlich attraktiv

Die Spaltungsreaktion ist ein endothermer Prozess, d. h. es muss Energie aufgewendet werden, damit der Prozess abläuft. Verglichen mit anderen Wasserstoffproduktionsrouten zeigt die thermodynamische Analyse eines idealen Pyrolyseprozesses dabei energetische Vorteile. Der Energiebedarf zur Wasserstoff-Bereitstellung bei der Pyrolyse (37,8 kJ/mol H2) liegt signifikant unter dem Energiebedarf der Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas mittels Dampfreformierung (63,3 kJ/mol H2) sowie der Bereitstellung von erneuerbarem Wasserstoff mittels Elektrolyse (285,9 kJ/mol H2).

Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist die Methanpyrolyse attraktiv. Mit den in der Literatur aktuell prognostizierten Wasserstoffgestehungskosten ergeben sich bei der Methanpyrolyse erhebliche Kostenvorteile gegenüber der Elektrolyse. Eine Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zur Dampfreformierung ist ebenfalls gegeben.

Expertenthema

Elektronenstrahl-Plasmapyrolyse (Electron beam plasma methane pyrolysis)

Im Mai 2021 stellten Wissen­schaft­ler der TUM dieses neue Ver­fah­ren für die Her­stel­lung von CO2-armen Was­ser­stoff vor. Die For­scher ver­öf­fent­lich­ten ihre Er­kenntnis­se im Inter­national Jour­nal of Hy­dro­gen Energy. Mittels der so­ge­nan­nten Elek­tronen­strahl-Plasma­pyro­lyse (Electron beam plasma methane pyrolysis) lässt sich Was­ser­stoff deut­lich effi­zien­ter und um­welt­freund­licher her­stel­len, als dies mit bis­herigen Me­tho­den der Me­than­pyro­lyse mög­lich war. Neu ist: Bei diesem Kon­zept zur Plasma­pyro­lyse wer­den die Me­than­mo­le­kü­le mittels der ki­ne­tischen Ener­gie be­schleu­nigter Elek­tro­nen dis­soziiert. Dies führt zu nen­nens­wer­ten Wir­kungs­grad­ver­bes­serungen gegen­über an­deren Pyro­lyse­ver­fah­ren.

Die am Institut für Energie­sys­teme der TU Mün­chen durch­ge­führten Ana­ly­sen zei­gen: Aus einer kWh Strom kön­nen über das vor­ge­stellte Ver­fahren rund 3,3 kWh Was­ser­stoff her­ge­stellt wer­den. Die Reak­tions­enthalpie pro Was­ser­stoff­mo­le­kül ist bei der Plasma­pyro­lyse um 87 Pro­zent ge­rin­ger als bei der Elek­tro­lyse. Daher lässt sich mit Erd­gas als Aus­gangs­stoff Was­ser­stoff mit einem deut­lich ge­rin­geren Ener­gie­auf­wand ge­win­nen als mit Was­ser. Denn mit Was­ser und dem Elek­tro­lyse-Ver­fah­ren kann aus einer kWh nur 0,6 kWh Was­ser­stoff her­ge­stellt wer­den. Be­son­ders bei der Nutzung von Strom aus er­neu­er­ba­ren Ener­gie­quel­len kommt die­ser Vor­teil zum Tra­gen, da die Öko­strom­men­gen be­grenzt sind und da­her mög­lichst effi­zient ge­nutzt wer­den müs­sen.

Auch ist das Ver­fah­ren auf­grund seiner schnel­len An­lauf­zei­ten sehr gut in der Lage, mit schwan­ken­den Men­gen an er­neu­er­ba­rem Strom um­zu­gehen und so Last­spit­zen, die bei viel Wind oder Son­ne ent­stehen, in Form von Was­ser­stoff zu spei­chern.

Die Er­zeu­gungs­kos­ten lie­gen mit dem neu­artigen Pyro­lyse­ver­fah­ren unter ak­tuellen wirt­schaft­lichen Be­din­gungen zwischen 2,50 €/kg Was­ser­stoff und 5 €/kg Was­ser­stoff. Das er­mög­licht eine wett­be­werbs­fäh­ige Pro­duk­tion von Was­ser­stoff schnel­ler als etwa mit der Dampf­re­for­ma­tion oder der Elek­tro­lyse. "Mit un­serer Methode können wir Was­ser­stoff sehr günstig und effi­zient pro­du­zieren und lie­gen damit bis zu 5 Euro pro Kilo­gramm unter den aktuellen Her­stel­lungs­kos­ten für Elek­trolyse­was­ser­stoff. Auch sind die Lebens­zyk­lus-Emis­sionen weit­aus nie­dri­ger, als bei kon­ven­tio­nellen Her­stel­lungs­ver­fah­ren", so Florian Kerscher von der TU Mün­chen, unter dessen Lei­tung das Pro­jekt ent­wickelt wurde. Aktuell plant die TU Mün­chen den Auf­bau einer ent­sprech­enden For­schungs­an­la­ge.

Expertenthema
Grüner Wasserstoff aus Erneuerbarem Strom

Grüner Wasserstoff

Aus Erneuerbarem Strom wird das grüne Gas Wasserstoff

Die Anwendungsmöglichkeiten von H2 sind vielfältig.

Verwendung

Wofür kann Wasserstoff verwendet werden?

Blauer Wassertoff unterstützt die Dekarbonisierung der Industrie.

Blauer Wasserstoff

Wirtschaftliches Verfahren für Wasserstoff für die Industrie.