Energie aus Erdgas ohne Emission Wasserstoff aus Methan gewinnen - aber ohne Kohlendioxid!

Beim Cracken von methan entsteht neben Wasserstoff elementares Kohlenstoff-Pulver.
Beim Cracken von methan entsteht neben Wasserstoff elementares Kohlenstoff-Pulver.

Wie lässt sich Methan als Energielieferant nutzen, ohne dass sich Kohlendioxid bildet? Einem Forscherkreis um Nobelpreisträger Carlo Rubbia ist dies gelungen: Sie entwickelten einen Flüssigmetall-Reaktor, mit dem sie Methan »cracken«.

Fossile Energien gelten als »Klimakiller«. Grund dafür ist der Ausstoß von Kohlendioxid, kurz: CO2, beim Verbrennen von z.B. Erdgas oder anderen fossilen Brennstoffen. Genutzt werden die Brennstoffe zur Stromerzeugung, im Automobil oder als Wärmelieferant. Insbesondere Methan, ein Hauptbestandteil von Erdgas, ist ein breit verwendeter fossiler Brennstoff. Prognosen gehen davon aus, dass die weltweite Produktion in den nächsten Jahrzehnten stark ansteigen wird.

Wie sich Energie aus Methan ohne Emissionen gewinnen lässt, das untersuchten Forscher des Insititute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam und des Karlsruher Instituts für Technologie, kurz: KIT, in einem von Prof. Carlo Rubbia, Nobelpreisträger und ehemaliger wissenschaftlicher Direktor des IASS, initiierten Kooperationsprojekt. Nach zwei Jahren Forschung konnten sie nun die prinzipielle Machbarkeit des sogenannten Methan »crackens« nachweisen. Anstelle der direkt Verbrennung von Methan (CH4) werden die molekularen Komponenten Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C) beim »cracken« aufgetrennt. Dies erfolgt bei Temperaturen deutlich über 750 °C. Emissionen entstehen dabei nicht. Neben dem Hauptprodukt des Methan-Crackens, dem Wasserstoff, entsteht als Nebenprodukt fester elementarer Kohlenstoff, dessen Bedeutung als industrieller Rohstoff stetig zunimmt. So wird er z.B. in großen Mengen in der Produktion von Stahl, Kohlenstofffasern und vielen kohlenstoffbasierten Strukturen und Materialien eingesetzt. Der durch den neuartigen Cracking-Prozess entstehende Kohlenstoff verfügt über eine hohe Qualität und Reinheit und hat die Form eines Pulvers. Sein Wert als vermarktungsfähiges Produkt trägt zusätzlich zur wirtschaftlichen Machbarkeit des Methan-Crackens bei. Alternativ könnte der Kohlenstoff gelagert werden.

Wasserstoff für Brennstoffzellen gewinnen

Die Idee, Methan aufzutrennen, ist nicht neu. Seit zwei Jahrzehnten versuchen sich Wissenschaftler daran, die technische Machbarkeit unter Beweis zu stellen, damit das Verfahren in den industriellen Betrieb übertragen werden kann. Allerdings verstopften die Anlagen und die Umwandlungsrate blieb unter den Anforderungen. Basierend auf diesen Erkenntnissen und einem Vorschlag von Carlo Rubbia, einen auf der Flüssigmetall-Technologie basierenden, neuen Reaktor zu verwenden, trieben die Wissenschaftler von IASS und KIT die Forschung weiter voran. In dem neuen Reaktor werden kleine Methan-Bläschen von unten in eine mit geschmolzenem Zinn gefüllte Säule gegeben. Während des Aufsteigens im Flüssigmetall findet die Cracking-Reaktion statt: An der Bläschen-Oberfläche scheidet sich Kohlenstoff ab und setzt sich beim Zerfallen der Bläschen am oberen Ende des Reaktors ab.

Das Verfahren wurde zwischen Ende des Jahres 2012 und Frühjahr 2015 in der KIT-Anlage KALLA, kurz für »KArlsruhe Liquid Metal LAboratory« in mehreren Versuchsreihen mit unterschiedlichen Parametereinstellungen und Optionen wie Temperatur, Konstruktionswerkstoffe oder Verweilzeit untersucht. Das Ergebnis: Eine 1,20 Meter hohe Vorrichtung aus Quarz und Edelstahl, in der sowohl reines Zinn als auch eine Mischung aus Zinn und Quarzfüllkörper verwendet werden.

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