2300 °C aus der Steckdose: Glühbirnen-Reaktor knackt Plastik, Ammoniak und Methan
Hohe Temperaturen erzeugt die Chemieindustrie bis heute fast immer mit Flammen. Ein Reaktor der NUS Singapur ersetzt sie durch einen stromdurchflossenen Draht, der bis zu 2300 °C erreicht. Drei Nature-Studien zeigen, was das Glühbirnen-Prinzip kann.
Der Reaktor spaltet Ammoniak zu Wasserstoff, zerlegt Kunststoffabfälle in ihre chemischen Bausteine und wandelt Methan in Grundchemikalien um.
Foto: National University of Singapore
Die klassische Glühbirne war im Grunde ein Heizgerät, das nebenbei leuchtete: Nur rund 5 % der elektrischen Energie verließen den Kolben in Form von Licht, der Rest verpuffte als Wärme. Diese Bilanz besiegelte ihr Ende. Ab 2009 nahm die EU sie schrittweise vom Markt. Forscher der National University of Singapore (NUS) machen aus der alten Schwäche nun eine Tugend: Sie nutzen einen elektrisch zum Glühen gebrachten Draht gezielt als Wärmequelle und bauen darum herum einen Chemiereaktor.
Das Team um Prof. Yan Ning, Direktor des NUS Centre for Hydrogen and Carbon Innovations, hat das Konzept Ende Juli vorgestellt und in drei Fachaufsätzen demonstriert, die alle zuvor in verschiedenen Nature-Journalen erschienen sind. Der Reaktor spaltet Ammoniak zu Wasserstoff, zerlegt Kunststoffabfälle in ihre chemischen Bausteine und wandelt Methan in Grundchemikalien um. Der Draht im Inneren erreicht dabei je nach Anwendung mehr als 1200 °C, im Kunststoff-Aufbau laut Studie bis zu 2300 °C, während die Umgebung vergleichsweise kühl bleibt.
Das Konzept zielt auf eine Schwachstelle der Branche: Viele Prozesse der Chemieindustrie brauchen sehr hohe Temperaturen und erzeugen sie durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe. Ein Reaktor, der seine Hitze aus der Steckdose bezieht, könnte stattdessen mit Wind- und Solarstrom laufen.
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So arbeitet der Reaktor
Das Herzstück des Reaktors ist ein dünner Metalldraht, wie er früher in jeder Glühbirne steckte. Fließt Strom hindurch, heizt ihn sein elektrischer Widerstand auf. Fachleute nennen das Joule-Heizung. Laut NUS erreicht das Filament so binnen kurzer Zeit mehr als 1200 °C. Wie viel mehr, hängt vom Aufbau ab: In der Methan-Studie maßen die Forscher am Molybdändraht 1000 bis 1457 °C, für das Kunststoffrecycling trieb das Team den Draht sogar auf bis zu 2300 °C.
Entscheidend ist die anschließende Verteilung der Hitze. Konventionelle Hochtemperaturreaktoren heizen den gesamten Reaktionsraum, meist mit Brennern für fossile Brennstoffe. Der NUS-Reaktor konzentriert die Energie hingegen auf den Draht, die Umgebung bleibt deutlich kühler. Das verkleinert die Anlage. Zudem lässt sich der Reaktor laut den Forschern schneller hoch- und runterfahren und ist kompatibel mit volatilem Wind- oder Solarstrom.
Die Arbeitsteilung von heißem Draht und kühler Wand funktioniert dann so:
- Am Draht bricht die enorme Hitze die stabilen Methanmoleküle auf.
- Die dabei entstehenden reaktionsfreudigen Zwischenprodukte wandern zur kühleren Wand, wo der Katalysator sie zu verkaufsfähigen Chemikalien umbaut, vor allem Ethylen, dem Grundstoff vieler Kunststoffe, und Aromaten wie Benzol. Nebenbei fällt Wasserstoff an.
Der Vorzug des Glühdrahts
Bisher scheiterte diese direkte Methanumwandlung oft daran, dass ein Reaktor, der heiß genug ist, um viel Methan zu spalten, durch dieselbe Hitze die frisch entstandenen Produkte gleich wieder zerstört. In einem kühleren Reaktor passiert jedoch schlicht zu wenig. Der NUS-Reaktor trennt die beiden Vorgänge durch die unterschiedlichen Temperaturzonen räumlich und entschärft so dieses Dilemma.
Im Labor erreichte der Aufbau laut Studie eine Ausbeute von knapp 40 % Ethylen und Aromaten, dazu 62 % Wasserstoff. Wer diese Chemikalien heute aus Erdgas gewinnen will, muss einen Umweg über mehrere Anlagenstufen und Zwischenschritte gehen: erst Synthesegas, dann Methanol, daraus schließlich die Zielprodukte. An Alternativen zu dieser klassischen Route arbeiten auch andere Teams, etwa an der Northwestern University, die Methan mit Kaltplasma direkt in Methanol verwandelt.
Anwendung 2: Ammoniak spalten ohne Fracht zu verbrennen
Deutschland wird einen Großteil seines künftigen Wasserstoffbedarfs importieren müssen, Schätzungen rechnen mit bis zu 80 %. Als Transportvehikel gilt vielfach Ammoniak, denn das Molekül lässt sich leichter verflüssigen und verschiffen als reiner Wasserstoff. Am Zielhafen müssen sogenannte Cracker es dann wieder in Wasserstoff und Stickstoff zerlegen. Unternehmen wie Uniper und Thyssenkrupp Uhde planen dafür bereits neue Infrastrukturen.
Die etablierte Technik spaltet Ammoniak katalytisch bei rund 600 °C. Die nötige Prozesswärme liefert die Fracht selbst: 15 bis 20 % des angelieferten Ammoniaks werden laut Thyssenkrupp Uhde verbrannt, um den Rest zu zerlegen. Im NUS-Reaktor übernimmt der stromdurchflossene Wolframdraht diese Aufgabe, verbrannt wird nichts. Die Umwandlung gelang laut dem Team nahezu vollständig, der Reaktor sei zudem deutlich kleiner als konventionelle Systeme gleicher Kapazität. Konkrete Zahlen zu Durchsatz und Baugröße nennt die Pressemitteilung der Universität allerdings nicht.
Beim Umsatz ist der Vorsprung ohnehin kleiner, als es klingt. Auch das konventionelle Verfahren erreicht laut Uhde eine Quote von rund 99 %. Der eigentliche Unterschied liegt darin, woher die Energie kommt und wie schnell und kompakt die Anlage arbeitet. Nach eigenen Angaben lotet die NUS die Technologie inzwischen mit einem Industriepartner für ammoniakbasierte Energiesysteme aus; wer das ist, verrät sie nicht.
Anwendung 3: Plastikmüll zurück in seine Bausteine
Die dritte Demonstration widmet sich Polyethylen und Polypropylen, den Standardkunststoffen in Verpackungen. Mechanisches Recycling stößt bei ihnen an Grenzen, weil die Materialqualität mit jedem Durchlauf sinkt. Chemische Verfahren wie die klassische Pyrolyse liefern wiederum meist ein Gemisch aus vielen Substanzen, das aufwendig aufgetrennt werden muss.
Der NUS-Reaktor zerlegte beide Kunststoffe laut dem Team dagegen in einfachere chemische Bausteine, die sich direkt zu neuen Kunststoffen verarbeiten lassen. Damit ließe sich Plastik recyceln, das heute verbrannt oder deponiert wird. Dafür trieb das Team die Drahttemperatur laut Studie auf bis zu 2300 °C. Die Monomer-Selektivität erreichte dabei laut Studie bis zu 65 %
Plattform mit Potenzial
Die NUS versteht ihren Glühbirnen-Reaktor ausdrücklich als Plattform: Laut Mitteilung erkundet das Team bereits weitere Anwendungen und arbeitet an der Skalierung für den Industrieeinsatz. Für die Methanroute (Anwendung 1) attestieren eine techno-ökonomische Analyse und eine Ökobilanz, die Projektpartner an der ETH Zürich erstellt haben, dem Konzept Potenzial für wettbewerbsfähige Produktion bei Netto-Null-Emissionen. Das ist aber eine Modellrechnung und kein Betriebsnachweis.
Ob aus dem Laborgerät ein Industriewerkzeug wird, hängt zuvorderst von drei Kriterien ab:
- Strombedarf: Keine der Quellen beziffert, wie viel Strom der Reaktor pro Kilogramm Produkt verbraucht. Konventionelle Anlagen decken ihre Prozesswärme zum Teil intern, etwa durch das Mitverbrennen von Einsatzstoffen. Der Glühdraht braucht demgegenüber Strom aus dem Netz, dessen Preis über die Wirtschaftlichkeit entscheidet.
- Standzeit: Jede Glühbirne brennt irgendwann durch. Wie lange die Filamente bei mehr als 1200 °C halten, lassen die Forscher unbeziffert. Kohlenstoffablagerungen am Draht ließen sich im Versuch mit CO2 entfernen, aber Langzeitdaten dazu fehlen.
- Maßstab: Getestet wurde bislang nur im Labor. Zum Vergleich: Allein Unipers Demonstrations-Cracker in Gelsenkirchen ist auf 28 t Ammoniak pro Tag ausgelegt, kommerzielle Anlagen sollen ein Vielfaches schaffen.
Der Reaktor reiht sich in einen Trend zu kompakten, modularen Systemen ein, die Chemieprozesse mit Strom oder Sonnenlicht betreiben, vom Kaltplasma-Reaktor der Northwestern University bis zum Solarreaktor zum Kunststoffrecycling aus Cambridge. Sollte der Glühdraht in diesem Rennen gewinnen, wäre das die späte Genugtuung für eine Technik, die Europa vor über 15 Jahren aufgrund ihrer Abwärme aussortiert hat.
Die Originalstudien sind in Nature Sustainability (Methan), Nature Chemical Engineering (Ammoniak) und Nature Communications (Kunststoff) erschienen.
Quellen
- NUS News: Lightbulb-inspired reactor tackles three major decarbonisation challenges
- Nature Chemical Engineering: Ultrafast ammonia decomposition using an electrified tungsten wire lightbulb reactor
- Nature Communications: Light bulb-inspired high-temperature catalytic depolymerization of polyolefin plastic
- Nature Sustainability: Filament-catalyst lightbulb reactor for efficient methane conversion
- Umweltbundesamt: Bye bye Glühbirne! Abschied vom Auslaufmodell
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