Wasserstoff nutzbar machen: Das Versprechen der katalytischen Methanzersetzung

Da sich die Welt mit der dringenden Notwendigkeit auseinandersetzt, unsere Energiesysteme zu dekarbonisieren, hat sich Wasserstoff als vielversprechender sauberer Brennstoff der Zukunft erwiesen. Die derzeitigen industriellen Wasserstoffproduktionsverfahren wie die Methandampfreformierung sind jedoch immer noch stark auf fossile Brennstoffe angewiesen und verursachen erhebliche Kohlendioxidemissionen. Hier kommt die katalytische Methanzersetzung (CMD) ins Spiel - ein innovatives Verfahren, das Methan direkt in Wasserstoff und festen Kohlenstoff umwandelt, ohne dabei CO2 zu erzeugen. Diese bahnbrechende Technologie könnte eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung eines reibungslosen Übergangs zu einer wasserstoffbasierten Wirtschaft spielen und gleichzeitig aktiv Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernen.

Die Mechanik des Methan-Crackens

Im Kern handelt es sich bei CMD um eine relativ einfache chemische Reaktion, bei der Methanmoleküle (CH4) in Wasserstoffgas (H2) und festen Kohlenstoff zerlegt werden:

CH4 → C + 2H2

Diese Reaktion kann zwar bei sehr hohen Temperaturen um 1300°C ablaufen, doch durch den Einsatz von Katalysatoren kann sie auch bei viel niedrigeren und praktischeren Temperaturen zwischen 450 und 750°C ablaufen. Übergangsmetallkatalysatoren wie Nickel, Eisen und Kobalt haben die höchste Aktivität für CMD gezeigt. Die Reaktion findet an der Oberfläche des Katalysators statt, wobei Methanmoleküle adsorbiert werden und sich zu Wasserstoffgas zersetzen, das freigesetzt wird, während sich auf dem Katalysator Kohlenstoffablagerungen bilden.

Einer der Hauptvorteile von CMD ist, dass keine COx-Nebenprodukte entstehen, was zu einem sehr reinen Wasserstoffstrom führt, der nur eine minimale nachgeschaltete Verarbeitung erfordert. Das feste Kohlenstoff-Nebenprodukt kann auch in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet oder sicher abgeschieden werden. Dies verschafft CMD einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Wasserstoffproduktionsmethoden, sowohl in wirtschaftlicher Hinsicht als auch in Bezug auf die Umweltauswirkungen, da Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung immer strenger reguliert und kostspieliger werden.

Überwindung der Katalysatordeaktivierung

Die größte Hürde, die bisher eine breite Anwendung von CMD verhindert hat, ist die schnelle Deaktivierung des Katalysators aufgrund von Kohlenstoffablagerungen. Wenn sich Kohlenstoffablagerungen ansammeln, blockieren sie schließlich die aktiven Stellen auf der Katalysatoroberfläche, so dass die Wasserstoffproduktion nachlässt. Die Forscher haben verschiedene Strategien zur Verbesserung der Katalysatorstabilität erforscht:

Kombination mehrerer Metalle: Bimetallische Katalysatoren wie Ni-Fe und Ni-Cu haben sich im Vergleich zu monometallischen Versionen als stabiler erwiesen.

Optimierung der Träger: Katalysatorträger wie SiO2 und Al2O3 spielen eine entscheidende Rolle bei der Metalldispersion und der Kohlenstoffdiffusion.

Regenerierung: Regelmäßige Entfernung von Kohlenstoffablagerungen durch Vergasung mit Dampf, CO2 oder Wasserstoff kann verbrauchte Katalysatoren reaktivieren.

Neuartige Reaktorkonzepte: Wirbelschichtreaktoren ermöglichen eine kontinuierliche Kohlenstoffentfernung und haben sich als vielversprechend für einen langfristig stabilen Betrieb erwiesen.

Bei fortgesetzter Forschung und Optimierung könnte eine stabile Wasserstoffproduktion über Tausende von Stunden mittels CMD bald in Reichweite sein. Im Rahmen des von der EU finanzierten STORMING-Projekts werden innovative strukturierte Reaktorkonstruktionen erforscht, die mit erneuerbarem Strom beheizt werden, um die Rentabilität der CMD-Technologie weiter zu verbessern.

Reaktorkonfigurationen für das Scaling Up

In dem Maße, wie CMD der kommerziellen Nutzung näher kommt, wird die Reaktortechnik für die Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab entscheidend. Es wurden mehrere Reaktortypen untersucht:

Wirbelschichtreaktoren: Diese ermöglichen eine einfache Entfernung von Kohlenstoffprodukten und halten eine gleichmäßige Temperatur aufrecht, wodurch sie sich als bevorzugtes Design herauskristallisieren. Variationen wie zweistufige Wirbelschichten haben eine längere Lebensdauer des Katalysators gezeigt.

• Plasmareaktoren: Durch den Einsatz von Plasma kann die erforderliche Temperatur gesenkt werden, doch leidet die Wasserstoffselektivität darunter.
• Reaktoren mit geschmolzenem Metall: Flüssigmetallkatalysatoren ermöglichen eine einfache Kohlenstoffabscheidung, erfordern aber immer noch sehr hohe Temperaturen.
• Membranreaktoren: Die Integration von wasserstoffselektiven Membranen kann die Reaktion zu höheren Umsätzen führen.

Die vielversprechendste Konfiguration wird wahrscheinlich eine Kombination aus Wirbelschichtbetrieb mit optimierten Katalysatoren und In-situ-Regenerationsmöglichkeiten sein. Ein sorgfältiges Reaktordesign ist unerlässlich, um ein Gleichgewicht zwischen Methanumwandlung, Katalysatorstabilität und einfacher Kohlenstoffentfernung herzustellen.

Wirtschaftliche Tragfähigkeit und Zukunftsaussichten

Jüngste technisch-wirtschaftliche Analysen schätzen die Kosten für die Wasserstoffproduktion mittels CMD auf etwa 1,7-1,85 €/kg H2 bei Verwendung von Erdgas als Ausgangsmaterial. Dies ist bereits wettbewerbsfähig mit der Methandampfreformierung (1,4 €/kg H2), wenn man die Kosten für die Kohlenstoffabscheidung mit einbezieht. CMD wird sogar noch attraktiver, wenn die Kohlenstoffsteuern steigen, und könnte sich als der wirtschaftlichste Weg für die Wasserstofferzeugung in großem Maßstab erweisen.

Darüber hinaus eröffnet CMD interessante Möglichkeiten für eine kohlenstoffnegative Wasserstoffproduktion. Durch die Verwendung von Biogas oder synthetischem Methan, das aus atmosphärischem CO2 gewonnen wird, könnte das Verfahren aktiv Treibhausgase entfernen und gleichzeitig sauberen Wasserstoff erzeugen. Ersten Schätzungen zufolge könnte dies für nur 2,1 €/kg H2 möglich sein - ein geringer Aufpreis für einen enormen Umweltnutzen.

Das feste Kohlenstoff-Nebenprodukt von CMD birgt auch wirtschaftliches Potenzial. Während er als Basisfüllstoff derzeit mit weniger als 100 €/Tonne bewertet wird, könnten fortschrittlichere Kohlenstoff-Nanostrukturen bei Spezialanwendungen einen viel höheren Preis erzielen. Die Optimierung der Kohlenstoffqualität wird neben der Wasserstoffausbeute der Schlüssel zur Maximierung der Gesamtwirtschaftlichkeit sein.

Im Zuge der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft wird CMD eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von kostengünstigem, emissionsarmem Wasserstoff für Sektoren wie die Schwerindustrie, den Fernverkehr und die Energiespeicherung im Netz spielen. Mit seiner Fähigkeit, die bestehende Erdgasinfrastruktur zu nutzen und gleichzeitig CO2-Emissionen zu vermeiden, bietet CMD eine pragmatische Brücke zwischen fossilen Brennstoffen und vollständig erneuerbarem Wasserstoff. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Katalysator- und Reaktortechnologien verspricht, das volle Potenzial dieses eleganten, einfachen und dennoch leistungsstarken Prozesses zu erschließen.

Der Weg zu nachhaltiger Energie ist komplex, aber die katalytische Methanzersetzung ist ein Leuchtturm der Innovation, der neue Möglichkeiten für eine saubere Wasserstoffproduktion und ein Kohlenstoffmanagement eröffnet. In unserem Bestreben, ehrgeizige Klimaziele zu erreichen, könnte sich CMD als ein entscheidendes Teil des Dekarbonisierungspuzzles erweisen.

Quelle: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032120307516