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Die Methanpyrolyse gilt als einer der aussichtsreichsten Wege zu CO2-armem Wasserstoff. Doch große Reaktoren ausreichend zu beheizen, war bislang ein ungelöstes technisches Problem. Forscher der Stanford University haben jetzt in der Fachzeitschrift Science einen Ansatz veröffentlicht, der diesen Engpass beseitigen soll.
Das Grundprinzip: Methan ohne CO2 aufspalten
Bei der Methanpyrolyse wird Methan (CH₄) unter Hitze in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt. Die Reaktionsgleichung ist einfach: CH₄ ergibt C plus 2 H₂. Im Gegensatz zur klassischen Dampfreformierung entsteht dabei im Prozess selbst kein Kohlendioxid. Der Kohlenstoff bleibt fest gebunden.
Das Verfahren ist nicht neu. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forscht seit Jahren an verschiedenen Reaktorkonzepten, darunter Flüssigmetall-Blasensäulenreaktoren. Das eigentliche Problem liegt woanders: in der Übertragung auf industriell relevante Anlagengrößen.
Wärme als Flaschenhals beim Scale-up
Methanpyrolyse erfordert Temperaturen von rund 1.000 Grad Celsius. Bei extern beheizten Reaktoren muss diese Wärme von der Reaktorwand bis in das Zentrum des Reaktionsvolumens gelangen. Bei kleinen Anlagen funktioniert das noch gut. Mit wachsendem Reaktordurchmesser werden die Transportwege länger und die Wärmezufuhr ins Innere wird zum Engpass.
Genau dieses Problem adressiert die Arbeit des Teams um Henry Moise und Matteo Cargnello von der Stanford University. Co-Erstautor Sebastian Moll hat Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik am KIT studiert und arbeitete während der Forschung als Gaststudent in Stanford. Er promoviert inzwischen an der ETH Zürich. Weitere Beteiligte kommen von der University of California in Santa Barbara.
Autotherme Beheizung: Wasserstoff heizt den Reaktor selbst
Der Kerngedanke des neuen Ansatzes: Ein Teil des bei der Pyrolyse erzeugten Wasserstoffs wird gezielt im Reaktor verbrannt. Die dabei freigesetzte Wärme treibt die endotherme Methanpyrolyse an, also die Reaktion, die Energie zum Ablaufen benötigt. Das Verfahren arbeitet damit autotherm.
Der verbrannte Wasserstoffanteil steht als Produkt nicht mehr zur Verfügung. Dafür lässt sich die Wärme gleichmäßig im gesamten Reaktionsvolumen erzeugen, nicht nur von der Außenwand eintragen. Das Team kombinierte experimentelle Daten zur Reaktionskinetik mit Modellen zur Wärmeübertragung.
Für Bettreaktoren mit kommerziell relevanten Durchmessern errechnen die Modelle Durchsatzsteigerungen um mehrere Größenordnungen gegenüber externer Beheizung. Diese Ergebnisse basieren auf Modellierungen. Ein Nachweis an einem Industriereaktor entsprechender Größe steht noch aus.
Nebenprodukt mit Marktwert: Graphit aus dem Reaktor
Neben dem Wasserstoff liefert das Verfahren einen Feststoff mit industriellem Interesse. Mithilfe kostengünstiger Eisenoxid-Katalysatoren erzeugten die Forscher Kohlenstoff mit einem Graphitisierungsgrad von 96 Prozent. Dieser Grad beschreibt, wie geordnet die Kohlenstoffatome in der Kristallstruktur angeordnet sind. Je höher der Wert, desto näher kommt das Material an reinen Graphit heran.
Graphit wird unter anderem als Elektrodenmaterial in Batterien und in der Stahlindustrie eingesetzt. Die Studie bezeichnet das Produkt als Vorläufermaterial für die Graphitherstellung. Ob sich daraus ein wirtschaftlich tragfähiges Nebenproduktgeschäft entwickelt, hängt von Marktpreisen, Reinheitsanforderungen und Aufbereitungskosten ab.
Klimabilanz: Kein CO2 im Prozess, aber Vorkette zählt
Die Methanpyrolyse erzeugt im Reaktionsprozess selbst kein CO2. Die Klimabilanz des erzeugten Wasserstoffs hängt aber stark von der Methanquelle und der Energieversorgung ab. Wird fossiles Erdgas eingesetzt, schlägt die Förderung und der Transport zu Buche, inklusive Methanverlusten in der Vorkette. Werden erneuerbare Energien zur Prozessbeheizung genutzt und Biomethan oder Erdgas mit niedrigen Leckageanteilen eingesetzt, verbessert sich die Bilanz erheblich.
Die Klimafreundlichkeit lässt sich nicht pauschal beurteilen. Sie hängt von der jeweiligen Anlagenkonfiguration und der Gasbeschaffungsquelle ab.
Fazit
Das Stanford-Team hat einen plausiblen Lösungsansatz für ein bekanntes Skalierungsproblem der Methanpyrolyse vorgelegt. Die autotherme Beheizung über Wasserstoffverbrennung im Reaktor könnte den Weg zu größeren Anlagen öffnen. Die Ergebnisse stammen bislang aus Modellierungen und Laborexperimenten. Für Industrieentscheider in der Chemieindustrie, bei Gasversorgern oder in der Stahlerzeugung wird das Verfahren relevant, sobald Pilotanlagen im Maßstab mehrere Tonnen pro Tag belastbare Betriebsdaten liefern. Bis dahin bleibt die Methanpyrolyse eine Technologie mit nachgewiesenem Potenzial, aber offenem Skalierungsnachweis.
