Erdgas ist heute ein wichtiger fossiler Brennstoff. Laut Prognosen wird die weltweite Produktion von Erdgas in den nächsten Jahrzehnten stark ansteigen. Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Wissenschaftler des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, den Energiegehalt des Methans in Form von Wasserstoff zu nutzen. Der große Vorteil dieser Methode: Es bildet sich kein klimaschädliches Kohlendioxid.
Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff auftrennen
Der Trick ist dabei, das Methan nicht direkt zu verbrennen, sondern es in seine molekularen Komponenten Wasserstoff und Kohlenstoff über den Prozess des sogenannten „Cracken“ aufzutrennen. Bei diesem Prozess, der bei hohen Temperaturen von über 750 °C abläuft, entstehen keine schädlichen Emissionen. Der italienische Physiker und frühere wissenschaftliche Direktor am IASS, Professor Carlo Rubbia, hat das Kooperationsprojekt initiiert.
„Rolle einer Brückentechnologie“
„Unsere Versuchsergebnisse und alle ökologischen und wirtschaftlichen Analysen zeigen, dass das Cracken von Methan eine mögliche Option für den Umbau unseres Energiesystems ist“, sagt der Physik-Nobelpreisträger Rubbia. „Das Verfahren könnte die Rolle einer Brückentechnologie übernehmen. Mit ihr ließe sich das Energiepotenzial von Erdgas nutzen. Gleichzeitig würde das Klima geschützt und die Einbindung eines sauberen Energieträgers wie Wasserstoff in unser Energiesystem erleichtert.“
Konventionelle Wasserstoffgewinnung erzeugt viel Kohlendioxid
Wasserstoff ist bereits heute ein wichtiger industrieller Rohstoff, der zum Beispiel in großen Mengen zur Produktion von Ammoniak eingesetzt wird. Ammoniak ist eine extrem wichtige Vorläufersubstanz in der Düngemittelindustrie. Normalerweise geschieht die Wasserstoffproduktion mit Hilfe konventioneller Technologien wie der Dampf-Methan-Reformierung, bei der große Mengen an Kohlendioxid freigesetzt werden.
Wasserstoff kann in einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem eine wichtige Rolle spielen, wenn es gelingt, diesen Wasserstoff kohlendioxidneutral zu erzeugen.
Kohlenstoff als Nebenprodukt
Und so geht die alternative Wasserstoffgewinnung: In eine mit geschmolzenen Zinn gefüllte Säule werden von unten kleine Methanbläschen gegeben. Während die Methanbläschen langsam nach oben aufsteigen, werden sie gecrackt. Im Laufe der Cracking-Reaktion wird Kohlenstoff an der Oberfläche der Methanbläschen abgeschieden, der dann beim Zerfallen der Bläschen am oberen Ende des Reaktors als Pulver übrigbleibt.
Dieser feste schwarze elementare Kohlenstoff ist von hoher Reinheit und kann in der Produktion von Stahl, von Kohlenstofffasern und anderen kohlenstoffbasierten Strukturen und Materialien eingesetzt werden.
Experimente im Karlsruher Flüssigmetalllabor
In der KIT-Anlage namens Kalla, was für Karlsruhe Liquid Metal Laboratory oder auf Deutsch Karlsruher Flüssigmetalllabor steht, wurden in den vergangenen drei Jahren mit ganz unterschiedlichen Temperaturen, Konstruktionswerkstoffe oder Verweilzeiten experimentiert. Als optimal hat sich eine 1,2 m hohe Vorrichtung aus Quarz und Edelstahl entpuppt, in der sowohl reines Zinn als auch ein Gemisch aus Zinn und Quarzfüllkörpern zum Einsatz kommen können.
Reaktor lief zwei Wochen ohne Pause
„Während der zuletzt durchgeführten Versuche lief unser Reaktor ohne Unterbrechung über einen Zeitraum von zwei Wochen. Er erzeugte Wasserstoff mit einer Umwandlungsrate von bis zu 78 % bei Temperaturen von 1200 °C. Dieser kontinuierliche Betrieb ist entscheidend für einen zukünftigen industriell einsetzbaren Reaktor“, betont Professor Thomas Wetzel, Leiter des Kalla-Labors am KIT. Das neue Verfahren ist um über 50 % sauberer als die konventionelle Dampf-Methan-Reformierung.
Düsseldorf jedenfalls setzt fest auf Erdgas: Die Stadtwerke der nordrhein-westfälischen Landeshauptstadt wollen 2016 mit einer von Siemens gebauten Gas- und Dampfanlage an den Start gehen, die sich besonders schnell an das durch Solar- und Windenergie stark schwankende Stromangebot anpasst.
