Methan-Cracking weiterentwickelt Nach Grün kommt Gold: CO₂-negativer Wasserstoff

„Beim Methan-Cracking wird das Gas durch ein Mikrowellenplasma geleitet, das den Wasserstoff vom Kohlenstoff trennt. Es entstehen also zwei Rohstoffe, die aufgefangen und weiterverwendet oder vermarktet werden können. Diese Vorgehensweise funktioniert bislang im Labormaßstab mit Erdgas“, erklärt Prof. Dr. Peter Stenzel vom Cologne Institute for Renewable Energy der TH Köln. Er ist Leiter eines Projekts, das ein verbessertes Verfahren zur Produktion CO₂-negativen Wasserstoffs zum Ziel hat. „Wir wollen das Verfahren um Biomethan als Ausgangsstoff erweitern, das in Biogas- und Deponiegasanlagen erzeugt wird. Zudem möchten wir eine Anlagengröße realisieren, wie sie in der Praxis benötigt wird. Beides stellt unser Forschungskonsortium vor große Herausforderungen.“

Das von den assoziierten Partnern Bergischer Abfallwirtschaftsverband und Avea bereitgestellte Biogas stammt aus Anlagen, die mit Material aus der Biotonne gefüttert werden. Es ist somit als weitgehend CO₂-neutral anzusehen. „Im Gegensatz zu Erdgas enthält Biogas zahlreiche Nebenstoffe. Wir stehen also vor der Aufgabe, eine Gasaufbereitung vorzuschalten und den Produktionsprozess so robust zu gestalten, dass kleinere Verunreinigungen und Gasbestandteile wie Stickstoff kein Problem darstellen“, sagt der wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. Patrick Beuel. „Gelingt uns dies, wollen wir die Anlage auch mit Gas betreiben, das auf Mülldeponien entsteht und in Bezug auf die Gaszusammensetzung noch herausfordernder ist.“

Containerlösung für Praxistests

Der für das Biogas-Cracking benötigte Mikrowellenreaktor wird vom Industriepartner Iplas zur Verfügung gestellt. Innerhalb des Projekts wird das Unternehmen seinen aktuellen Laborreaktor weiterentwickeln, um den Einsatz in der Praxis zu ermöglichen. „Es ist absolut faszinierend, wie das transparente Biomethan durch das Mikrowellenplasma geleitet wird und auf einmal der abgetrennte Kohlenstoff als feines Pulver herabrieselt“, beschreibt Beuel. Das so gewonnene Carbon Black liegt anschließend in Form von Nanopartikeln vor und ist hochreaktiv. Mehrere hundert Kilogramm davon könnten im Industriemaßstab täglich anfallen.

Die Firma Ayxesis sorgt im Vorhaben dafür, dass die Kohlenstoffpartikel kontinuierlich abgeschieden, ausgeschleust und automatisch luftdicht verpackt werden können. Je nach Qualität könnte das Material bei der Herstellung von leitfähigen Kunststoffen sowie Batterien oder Brennstoffzellen eingesetzt oder auch als Bodenverbesserer und damit als Ersatz von Düngemittel verwendet werden.

„Unsere größte Herausforderung angesichts des nicht immer absolut reinen Ausgangsmaterials und des schwierig zu handhabenden Carbon Black ist es, einen kontinuierlichen Prozess darzustellen, der im realen Einsatz rund um die Uhr laufen muss“, sagt Stenzel. Das Unternehmen Brockhaus Lennetal verantwortet als weiterer Partner die verfahrenstechnische Gesamtauslegung und die Entwicklung einer integrierten sowie mobilen Containerlösung, die alle Funktionen beinhaltet und den Hallenbau vor Ort erübrigt.

Die TH Köln als Konsortialführerin begleitet die Entwicklung und den Bau der Gesamtsystemlösung, welche am Lehr- und Forschungszentrum :metabolon entsteht. Sie führt die Messkampagne durch, prüft die Qualität aller Produkte und ermittelt die CO₂-Bilanz sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

Goldener Wasserstoff als Ziel

Wasserstoff wird je nach Herstellungsart in ein Farbschema eingeordnet. So steht grau für die Produktion mittels Dampfreformierung von Erdgas oder türkis für die Herstellung mittels Pyrolyse.

„Die ‚beste‘ Variante ist bislang der grüne Wasserstoff, der klimaneutral mit regenerativem Strom in Elektrolyseuren hergestellt wird“, sagt Stenzel. „Dies wird unserem Projektziel aber nicht gerecht, da wir beim Plasma-Cracking von Biomethan der Atmosphäre sogar CO₂ entziehen. Man könnte also von ‚goldenem Wasserstoff‘ als neue Kategorie für Wasserstoff mit einem negativen CO₂-Fußabdruck sprechen.“