Der CO2-freie Wasserstoff könnte als sauberer Energieträger einen Beitrag zur Energiewende leisten.

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CO2-freier Wasserstoff aus Methan In einem Schritt zum klimafreundlichen Brenn- und Rohstoff

18.11.2019

Die Methanpyrolyse ist ein industriell bereits erprobtes Verfahren, das bei der Umsetzung der Energiewende interessante Lösungsansätze ermöglicht. Für die beiden Endprodukte, CO2-freier Wasserstoff und elementarer Kohlenstoff, sind erhebliche Marktpotenziale vorhanden. So lässt sich etwa Letzterer bei der Herstellung zukunftsträchtiger Komponenten, wie Batterien oder Brennstoffzellen einsetzen.

Immer mehr Experten aus Politik, Wissenschaft und Energiewirtschaft kommen zu der Erkenntnis, dass eine vollelektrifizierte Energiewende ausschließlich auf Basis erneuerbarer Energien weder technologisch noch wirtschaftlich umsetzbar ist. Dabei gehen verschiedene Szenarien davon aus, dass Wasserstoff im Energiesystem der Zukunft eine besondere Rolle zukommt und die Nachfrage nach diesem Energieträger in den nächsten Jahren stark zunimmt.

So haben etwa die Autoren der Leitstudie „Integrierte Energiewende“ der Deutschen Energieagentur (Dena) im vergangenen Jahr ermittelt, dass die Nachfrage von rund 30 TWh im Jahr 2030 auf mehr als 150 TWh im Jahr 2050 ansteigen könnte. Diese Daten beziehen sich allerdings hauptsächlich auf den Einsatz von Wasserstoff im Industrie- und Mobilitätssektor. Sollte der Einsatz von Wasserstoff und erneuerbaren Synthesegasen auch im Energiesektor voranschreiten, könnte sich der Jahresbedarf sogar auf mehr als 900 TWh erhöhen.

Aus Klimaschutzgründen gilt es als gesetzt, dass der Wasserstoff weitestgehend aus Überschussstrom aus Erneuerbaren-Energie-Anlagen erzeugt werden sollte. Doch welches Verfahren ist für die Herstellung das geeignetste und effizienteste? Während die Wasserelektrolyse den Einsatz großer Energiemengen erforderlich macht, kommt es bei der Dampfreformierung von Methan zu hohen CO2-Emissionen. Freigesetzt werden hier genau dieselben CO2-Mengen wie bei der direkten Verbrennung von Methan beziehungsweise Erdgas.

Die Herstellung von Wasserstoff muss kostengünstig und kontinuierlich sein

Es besteht ein enormer Bedarf an emissionsfreien Energiequellen, wie zum Beispiel Wasserstoff. Dieser muss aber für die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie kostengünstig und kontinuierlich zur Verfügung stehen. Interessant in diesem Kontext ist die trocken-katalytische Spaltung. Im Vergleich zu heutigen Verfahren mit rund 60 kWhel Energiebedarf je Kilogramm Elektrolyse-Wasserstoff liegt die trocken-katalytische Spaltung von 6 m3 Methan bei nicht einmal einem Zehntel dieses Wertes. Je nach Konfiguration kann dafür statt Strom auch lokal entsprechend verfügbare Abgaswärme eingekoppelt werden.

Den Forschern von Carbotopia und der TU Wien ist hier mit dem Methanpyrolyse-Verfahren ein großer Schritt nach vorne gelungen. Ein CVD(Chemische Gasphasenabscheidung)-Kaltwandreaktor erzeugte die sogenannte „Trockene Thermo-Katalytische Dissoziation Kohlenwasserstoff haltiger (Misch-)Gase“ und ist damit eines der interessantesten unter den bekannten Methan-Pyrolyse-Verfahren.

Die ersten industriellen Nischen-Produktionserfahrungen sind sehr vielversprechend: Im kommerziellen Set-up lief der noch bestehende erprobte TRL7-Reaktor in einem Zeitraum von einem Jahr über mehrere tausend Stunden ohne Unterbrechung und erzeugte durch kontinuierliche katalytische Extraktion nanokristallinen Kohlenstoff zwischen 580 und 850 °C sowie emissionsfreien Wasserstoff. Die Experten versprechen sich eine rasche industrielle Skalierbarkeit innerhalb von 2 bis 2,5 Jahren.

Großes Potenzial für Kohlenstoff-Markt

Das Besondere daran: Nicht nur für den Wasserstoff auch für den Kohlenstoff bestehen erhebliche Marktpotenziale. Elementarer Kohlenstoff (Graphit) lässt sich als industrieller Rohstoff für die Produktion von Stahl, Batterien, Kohlenstofffasern und zahlreichen kohlenstoffbasierten Strukturen und Materialien – unter anderem auch in Brennstoffzellen –einsetzen oder kann auch als verstärkendes Baumaterial dienen.

Heute ist der Markt für hochwertigen elementaren Kohlenstoff zwar noch überschaubar, doch speziell in Europa besteht großes Potenzial. Das Team von Carbotopia verfügt über umfangreiche Erfahrung im Bereich der Anwendung für ihren nanokristallinen Kohlenstoff in unterschiedlichsten Branchen. Denn aktuell stammen 70 Prozent des als industrieller Einsatzstoff produzierten Kohlenstoffs aus China. Europa steuert lediglich ein Prozent bei, verbraucht aber zehn Prozent des Gesamtaufkommens.

Der CO2-freie Wasserstoff kann als sauberer Energieträger einen Beitrag zur Energiewende leisten – beispielsweise in Brennstoffzellen, zur Stromerzeugung und als Kraftstoff für Fahrzeuge. Weitere potenzielle Einsatzgebiete sind die Produktion von Ammoniak etwa für die Düngerherstellung oder als Reduktionsmittel in der Stahlproduktion.

Energieprodukt Hythane als Option

Eine weitere Möglichkeit, den aus Erdgas erzeugten Wasserstoff als Energieträger in das Energiesystem zu integrieren, ist es, ein CO2-armes Energieprodukt „Hythane“ – eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoff – zu etablieren. Dies würde einen Beitrag dazu leisten, die EU-Klimaziele 2030 ohne kostenintensive Umstellungen in den Verteilsystemen zu erreichen. Insgesamt sind 25 bis 35 Prozent CO2-Reduzierung gegenüber 2016 möglich, gegenüber 1990 sogar über 50 Prozent, haben Experten berechnet. Und durch eine Umstellung der Energiesysteme auf Wasserstoff aus Methan als Hauptenergieträger sei bis 2050 sogar eine 80-prozentige Reduzierung der CO2-Emissionen in der Europäischen Union realisierbar.

Bereits heute setzt die Erdgaswirtschaft Wasserstoff-Methan-Gemische für den Betrieb von Kompressoren beim Gastransport ein. Dies reduziert die hieraus resultierenden CO2-Emissionen nach ersten Analysen um rund 30 Prozent. Neuartige Verbrennungsmotoren für den Mobilitätssektor, die ebenfalls den Einsatz von Methan-Wasserstoff-Gemischen als Kraftstoff zulassen, reduzieren den CO2-Ausstoß im Vergleich zu herkömmlichen Motoren um 15 bis 20 Prozent. Gleichzeitig geht der Verbrauch um rund 20 Prozent zurück.

Unwägbarkeiten aufgrund von 
Preisentwicklungen für Gas und CO2

Die Wirtschaftlichkeit sowie das Marktpotenzial der Technologie hängen natürlich von den zu erwartenden Kosten und Einnahmen ab. Da es hier gewisse Unwägbarkeiten gibt, insbesondere im Hinblick auf die Preisentwicklung für Gas und CO2, lassen sich diese derzeit lediglich abschätzen. Legt man etwa einen CO2-Preis von 50 Euro pro Tonne Wasser- und Kohlenstoff zugrunde, sind diese Produkte bereits heute Berechnungen zufolge im Vergleich zu anderen Verfahren zu wettbewerbsfähigen Produktionskosten herstellbar.

Das im Herbst 2018 mit dem Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft in der Kategorie „Forschung und Entwicklung“ ausgezeichnete Methanpyrolyse-Verfahren wird derzeit in Richtung Skalierung und Industrialisierung weiterentwickelt.

Der erfolgreich erprobte Dauerbetrieb gilt dabei als die entscheidende Voraussetzung für künftige vergleichbare infrage kommende Reaktortypen im industriellen Maßstab. Als nächstes wird es darum gehen, das Verfahren wirtschaftlich einsetzen zu können. Dabei stehen moderne digitale Technologien im besonderen Fokus. Eine Option ist hier beispielsweise der Einsatz smarter Sensoren oder Big-Data-Analysen im Bereich automatisierter, vorausschauender Wartung.

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