Methan-Pyrolyse zur Wasserstoffgewinnung - theoretisch sogar CO2-negativ

Die Methan-Pyrolyse, auch bekannt als Methan-Cracking, ist ein fortschrittliches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff (H2) und festem Kohlenstoff (C) aus Methan (CH4). Die Wasserstoff-Farbe liegt daher zwischen grauem und grünem Wasserstoff.

Der Prozess der Methan-Pyrolyse 

Der Prozess basiert auf der thermischen Zersetzung (Pyrolyse) von Methan bei hohen Temperaturen, typischerweise zwischen 1000°C und 1400°C, ohne die Zugabe von Sauerstoff oder Wasser. Dies unterscheidet ihn von herkömmlichen Verfahren.

Die chemische Reaktion ist eine einfache Dissoziation:

CH4 + Wärme ---> C(elementar) + 2H2

Da die Reaktion endotherm ist (sie benötigt Wärmeenergie), wird eine externe Energiequelle benötigt, um die notwendigen hohen Temperaturen zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Technologisch gibt es verschiedene Ansätze, um diese Wärme bereitzustellen, beispielsweise durch:

1. Reaktorwände: Direkte Erhitzung des Reaktors.
2. Plasmapyrolyse: Nutzung eines thermischen Plasmas (elektrische Energie).
3. Flüssige Metalle: Methan wird durch geschmolzene Metalle, wie Zinn oder Nickel, geleitet, die als Wärmeüberträger und oft auch als Katalysatoren dienen.

Das Ergebnis sind zwei wertvolle Produkte: reiner Wasserstoff und elementarer, fester Kohlenstoff. Der feste Kohlenstoff wird als Nebenprodukt kontinuierlich aus dem Reaktor entfernt.

Vergleich des CO2-Fußabdrucks bei der Wasserstofferzeugung 

Der entscheidende Vorteil der Methan-Pyrolyse liegt in ihrer CO2-freien Natur bezüglich des Methanmoleküls selbst. Im Gegensatz zu Verfahren, bei denen der Kohlenstoff in Form von CO oder CO2 freigesetzt wird, entsteht hier elementarer, fester Kohlenstoff, der leicht abgeschieden und entweder als Wertstoff (Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen) genutzt oder dauerhaft eingelagert werden kann.

Verfahren im Überblick

Um den CO2-Fußabdruck zu vergleichen, werden Wasserstoffproduktionsverfahren üblicherweise farblich kategorisiert:

• Grauer Wasserstoff: Wird aus fossilem Erdgas mittels Dampfreformierung (SMR) gewonnen. Hierbei wird CO2 direkt in die Atmosphäre freigesetzt. Es ist das CO2-intensivste Standardverfahren.
• Blauer Wasserstoff: Wird ebenfalls über SMR aus Erdgas hergestellt, aber das freigesetzte CO2 wird zu einem großen Teil abgeschieden und gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS). Der Fußabdruck ist deutlich geringer als bei grauem Wasserstoff, aber bei weitem nicht null, da die Abscheidung und Speicherung (Komprimierung) Energie benötigt und nicht 100% des CO2 erfasst werden.
• Grüner Wasserstoff: Wird mittels Elektrolyse von Wasser hergestellt. Wenn der verwendete Strom vollständig aus erneuerbaren Quellen (Wind, Solar) stammt, ist der CO2-Fußabdruck nahezu null. Dies ist der Goldstandard für klimaneutralen Wasserstoff.
• Türkiser Wasserstoff (Methan-Pyrolyse): Dieser Wasserstoff, der durch Methan-Pyrolyse erzeugt wird, ist per Definition CO2-neutral an der Quelle, da der Kohlenstoff fest gebunden wird. Der tatsächliche CO2-Fußabdruck hängt ausschließlich von der Energiequelle ab, die für die Bereitstellung der notwendigen Prozesswärme genutzt wird. Wird diese Wärme durch erneuerbaren Strom oder andere emissionsfreie Quellen bereitgestellt, ist der türkise Wasserstoff vergleichbar mit grünem Wasserstoff.

Die Methan-Pyrolyse (türkiser Wasserstoff) hat das Potenzial, einen sehr geringen bis nahezu neutralen CO2-Fußabdruck aufzuweisen. Sie vermeidet die direkten CO2-Emissionen des grauen Wasserstoffs und umgeht die komplexen und energieintensiven CO2-Abscheidungsschritte des blauen Wasserstoffs. Die Emissionen des türkisen Wasserstoffs sind im Wesentlichen auf die Stromquelle für die Prozesswärme beschränkt. Wenn Methan aus regenerativen Quellen (Biomethan oder synthetisches Methan aus Power-to-Gas) stammt und der Prozessstrom grün ist, kann türkiser Wasserstoff sogar negativ bilanzieren, da das Methan CH4, ein starkes Treibhausgas, dauerhaft aus dem Kreislauf entfernt wird.

Methan-Pyrolyse - lange bereits bekannt, der Durchbruch steht noch aus 

Dieser Beitrag berücksichtig NICHT die durch Nebenprozesse (Herstellung, davorliegende Produktionsschritte, nachgelagerte Prozesse) entstehenden Emissionen. Dazu sind auch die Parameter zu vielfältig, um sie angemessen in einem so kurzen Artikel zu berücksichtigen.

Ausserdem ist die Methan-Pyrolyse zwar eine vielversprechende Zukunftstechnologie, ihr Durchbruch zur großtechnischen Anwendung steht allerdings noch bevor und ist vom erfolgreichen Scale-up der aktuellen Pilotprojekte abhängt.

Versuchsreaktoren stehen z.B. bei der BASF in Ludwigshafen, beim KIT (Karlsruher Institut für Technologie) und mit kontinuierlicher Fertigung bei Monolith Materials in den USA. Die Hazer Group hat sich auf Methan aus Kläranlagen konzentriert und kann prinzipiell dadurch sogar CO2-negativ sein.