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Methanpyrolyse heizt sich mit eigenem Wasserstoff
Wasserstoff aus Erdgas entsteht heute meist in Verfahren, die große Mengen Kohlendioxid freisetzen. Methanpyrolyse vermeidet diese direkte CO₂-Bildung, scheitert beim Hochskalieren aber bislang an der schwierigen Wärmezufuhr. Ein neuer Reaktoransatz verbrennt nun einen Teil des erzeugten Wasserstoffs im Inneren und könnte dadurch deutlich mehr Wasserstoff und zugleich stark graphitierten Kohlenstoff liefern.
Stanford (U.S.A.). Wasserstoff ist ein wichtiger Grundstoff für die Chemieindustrie, etwa für die Herstellung von Ammoniak und Methanol, wird heute aber meist aus Erdgas durch Dampfreformierung gewonnen, wobei Kohlendioxid entsteht. Bei der Methanpyrolyse zerfällt Methan dagegen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff, sodass bei der eigentlichen Spaltungsreaktion kein CO₂ als Kohlenstoffprodukt anfällt. Das macht das Verfahren grundsätzlich interessant für eine emissionsärmere Wasserstoffproduktion.
Für eine industrielle Nutzung muss die Methanpyrolyse allerdings sehr hohe Temperaturen erreichen, und gerade in großen Reaktoren gelangt von außen eingebrachte Wärme nur schwer bis in das Reaktorinnere. Gleichzeitig muss der entstehende feste Kohlenstoff kontinuierlich entfernt werden, was eine zweite große technische Hürde darstellt. Forscher der Stanford University um Prof. Matteo Cargnello haben nun untersucht, wie sich zumindest das Wärmeproblem durch eine autothermale Betriebsweise entschärfen lässt.
Der Ansatz verlagert einen Teil der Wärmeerzeugung in den Reaktor selbst, indem ein Teil des zuvor gebildeten Wasserstoffs gezielt verbrannt wird. Die Reaktion liefert vor allem Wasser und setzt zugleich die Wärme frei, die für die weitere Methanspaltung benötigt wird. Anders als bei einer äußeren Beheizung muss die Energie damit nicht erst durch die Reaktorwand und große Materialmengen bis ins Zentrum gelangen.
Nach Angaben des Teams verbessert diese interne Wärmezufuhr die energetische Nutzung erheblich, denn bei gleichem Energieeinsatz könne ein autothermal beheizter Reaktor ungefähr so viel Material umsetzen wie zehn vergleichbare Reaktoren mit konventioneller äußerer Beheizung. Dieser Vergleich beschreibt die Effizienz der Wärmeeinbringung und ist nicht mit einem bereits demonstrierten hundertfachen Produktionssprung gleichzusetzen.
Für die Skalierung kombinierten die Forscher kinetische Messungen mit Modellen des Wärmetransports, die bei 1.000 Grad Celsius unter den untersuchten Bedingungen ein Potenzial von bis zu hundertfachem Reaktordurchsatz ergeben. Der Wert ist damit eine modellgestützte Obergrenze für die Prozessintensivierung und kein Nachweis, dass ein industrieller Reaktor bereits dauerhaft mit dieser Leistung arbeitet.
Versuche in einem fluidisierten Laborreaktor zeigen zugleich, dass sich die unerwünschte Vergasung des festen Kohlenstoffs trotz der internen Verbrennung weitgehend unterdrücken lässt. Die Forscher erreichten dabei im Synthesegas ein Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Verhältnis von bis zu 19, sodass das Gemisch stark wasserstoffreich blieb, obwohl ein Teil des Wasserstoffs zur Wärmeerzeugung genutzt wird.
Ein weiterer Befund betrifft den festen Kohlenstoff, für den die Analysen einen Graphitisierungsgrad von 96,0 Prozent ergaben. Das Material ähnelt damit bereits stark graphitischen Vorprodukten und entstand mit vergleichsweise günstigen Eisenoxid-Katalysatoren. Ein verwertbares Kohlenstoffprodukt könnte die Wirtschaftlichkeit der Methanpyrolyse verbessern, weil neben Wasserstoff ein zweiter Rohstoff entsteht.
Für anspruchsvolle Anwendungen ist das Material allerdings noch nicht fertig, denn nach Angaben der Forscher reicht seine Reinheit bislang nicht für besonders empfindliche Einsatzgebiete wie Batteriegraphit. Weitere Aufbereitung und Prozessoptimierung wären daher nötig, bevor das Nebenprodukt solche Märkte bedienen könnte.
Eine Lebenszyklusanalyse des Teams kommt für günstige untersuchte Randbedingungen auf eine Treibhausgasintensität von bis zu 1,9 Kilogramm CO₂-Äquivalenten pro Kilogram