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.

CO2: ein wertvoller Rohstoff

Die Koh­len­stoff­ab­schei­dung und -nut­zung wird auch als Car­bon Capture Utilization (CCU) be­zeich­net. Al­ter­na­tiv wird auch der Be­griff Car­bon Capture and Recy­cling (CCR) ver­wen­det. CCU spielt in der Kreis­lauf­wirt­schaft ei­ne wich­ti­ge Rol­le: Durch das Re­cy­cling des ab­ge­schie­de­nen Koh­len­stoffs kön­nen Pro­zess­emis­si­o­nen in an­de­ren Sek­to­ren (Stahl- und Koh­le­fa­ser­pro­duk­ti­on, Ze­ment­in­dus­trie oder als Ano­de in Li­thi­um-Ionen-Bat­te­rien/­Bat­te­rie­fer­ti­gung) ge­senkt wer­den. Der Ein­satz von Koh­len­stoff als Ver­bund­werk­stoff, Füll­stoff oder Bau­ma­te­ri­al für emis­si­ons­in­ten­si­ve In­dus­trien oder als Bo­den­ver­bes­se­rungs­mit­tel stel­len wei­te­re Märk­te des Koh­len­stoffs dar.

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 Me­than­-Py­ro­ly­se ein Pro­zess oh­ne CO2-Emis­si­o­nen. Wird Bio­gas oder Methan aus re­ge­ne­ra­ti­ven Quel­len statt Erd­gas als Aus­gangs­ma­te­ri­al ge­nutzt, wird der Um­ge­bung CO2 ent­zo­gen – es kommt zu ei­ner sogenannten 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 CO2-armen Was­ser­stoff um­ge­wan­delt wer­den. Vor­teil des Ver­fah­rens: Es wird we­sent­lich we­ni­ger Ener­gie zur Her­stel­lung von Was­ser­stoff auf­ge­wen­det als bei der Elektrolyse 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 sorgt für bessere Wirkungsgrade

Im Mai 2021 stell­ten Wis­sen­schaft­ler:innen 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.