Methanpyrolyse

Die Methanpyrolyse wird auch als "Methancracken" bezeichnet und ist eine noch relativ junge Methode zur Wasserstoffgewinnung. Wie sie funktioniert, wo sie bereits angewendet wird und welche Bedeutung die Methanpyrolyse für den Bereich der Brennstoffzellen- und Energielösungen hat beziehungsweise haben könnte, erklärt der Artikel.

Methanpyrolyse Wasserstoff: Wie funktioniert Methanpyrolyse?

Die Methanpyrolyse dient der Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas. Da man für das Verfahren Methan benötigt, greift man in der Regel zu Erdgas, dessen Hauptbestandteil Methan ist. Prinzipiell könnte man aber auch auf klimafreundlichere Ausgangsstoffe wie Biogas aus Biomasse zurückgreifen.

Bei der Methanpyrolyse aus Erdgas zerlegt man dessen Hauptbestandteil Methan (CH4) in Kohlenstoff (C) und Wasserstoffgas (H2). Die Reaktion ist endotherm, was bedeutet, dass sie die Zufuhr von Energie in Form von Hochtemperaturwärme benötigt.

Eine relativ alte Methode zur Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas ist das sogenannte Kværner-Verfahren. Hier erfolgt die Zerlegung von Methan in einem elektrisch hergestellten Plasma. Die für die Methanpyrolyse benötigte Energie wird also elektrisch erzeugt. Neuere Vorgehensweisen könnten unter Umständen effizienter sein, beispielsweise indem man die benötigte Hochtemperaturwärme aus anderen Quellen – beispielsweise konzentrierter Solarenergie – nutzt.

In Deutschland und einigen anderen Ländern werden derzeit mehrere Pilotanlagen für neue Verfahren der Methanpyrolyse betrieben. Zum Beispiel wird dabei gereinigtes Erdgas (Methangas) in Blasenform durch geschmolzenes Zinn (von unten nach oben) geleitet. Dem Zinn wiederum wird Elektrowärme (oder aber anders gewonnene Energie) zugeführt. Während oben Wasserstoff entweicht, wird der Kohlenstoff in das Zinn abgegeben und kann am oberen Ende in Form einer Schlacke abgeschieden werden. Der Kohlenstoff lässt sich in verschiedenen industriellen Anwendungen – beispielsweise zur Herstellung von Stahl, Carbonfaser-Werkstoffen oder Elektroden – nutzen.[1]

Vergleichsweise weit fortgeschritten ist die Methanpyrolyse bei BASF. Das Unternehmen will das Verfahren spätestens bis 2030 im großen industriellen Maßstab verfügbar machen.[2] Ebenfalls auf dem Vormarsch ist die Methanpyrolyse von KIT, also dem Karlsruher Institut für Technologie. Hier arbeiten Forscher am industriellen Einsatz des Verfahrens, das eine klimafreundlichere Nutzung fossilen Erdgases verspricht.[3]

Welche Anwendungen der
Methanpyrolyse gibt es?

Angewendet wird die Methanpyrolyse vor allem, um Wasserstoff auf relativ klimaschonende Art zu erzeugen. Das Produkt wird oftmals als "türkiser Wasserstoff" bezeichnet, außerdem spricht man in diesem Zusammenhang von einer "Dekarbonisierung" von Erdgas. Damit das Verfahren tatsächlich CO2-neutral ist, muss der Pyrolysereaktor allerdings mit Energie aus erneuerbaren Quellen versorgt werden.

Außerdem muss der gewonnene Kohlenstoff dauerhaft gelagert beziehungsweise auf anderem Wege sichergestellt werden, dass er nicht verbrannt wird und in die Atmosphäre gelangt. Dies ist zum Beispiel durch den Einsatz des Kohlenstoffs in der Bau- oder Werkstoffindustrie sowie im Straßenbau möglich. Weitere mögliche Anwendungen gibt es im Ackerbau, wo Kohlenstoff als Mittel für die Verbesserung der Bodeneigenschaften genutzt werden kann. Aber: Würde Wasserstoff mittels Methanpyrolyse in großem Maßstab erzeugt, könnten diese Möglichkeiten, Kohlenstoff zu binden, an ihre Grenzen stoßen. Mittelfristig gäbe es also ein Limit für den Einsatz von mit Methanpyrolyse hergestelltem Wasserstoff – solange bis sich andere Verwendungsmöglichkeiten auftun.[1]

Die Methanpyrolyse hat einige Vorteile im Vergleich zur Wasserstoffgewinnung mittels des herkömmlichen und bekannteren Verfahrens der Elektrolyse. So benötigt die Methanpyrolyse im Vergleich deutlich weniger elektrischen Strom zur Herstellung der gleichen Wasserstoffmenge. Der Grund: Die Bindungen zwischen dem im Methan enthaltenen Kohlenstoff und Wasserstoff können deutlich leichter gelöst werden als die zwischen dem im Wasser enthaltenen Sauerstoff und Wasserstoff. So kann man davon ausgehen, dass man für die Gewinnung von Wasserstoff mittels Pyrolyse nur ein Fünftel der Energie benötigt, die man für die Gewinnung derselben Menge Wasserstoff mittels Elektrolyse aufwenden muss. Dies bedeutet angesichts der Knappheit von erneuerbarem Strom ein erhebliches Einsparpotenzial. Der Methanpyrolyse Wirkungsgrad ist entsprechend höher.[4]

Eignet sich Wasserstoff aus
Methanpyrolyse auch für den
Einsatz in Brennstoffzellen-Fahrzeugen?

Grundsätzlich ist durch Methanpyrolyse hergestellter Wasserstoff auch für den Einsatz in Brennstoffzellen-Fahrzeugen geeignet. Allenfalls muss der Wasserstoff vor der Nutzung in speziellen Verfahren aufbereitet beziehungsweise gereinigt werden.

Der Einsatz der Brennstoffzellen-Technologie in Pkws ist längst keine Seltenheit mehr und die Wasserstoff-Brennstoffzelle gehört zu den Hoffnungsträgern der Mobilität weltweit. Doch nicht nur Pkws, auch Nutzfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe und der öffentliche Personennahverkehr sowie andere logistischen Prozesse sind zukünftige Anwendungsfelder für Wasserstoff. So gibt es bereits Projekte mit guten Bilanzen, die Wasserstoffbusse und -züge einsetzen. Auch im Schienenpersonenverkehr sind schon Brennstoffzellen im Einsatz.[5]

Wie viel CO2 entsteht bei der Herstellung von Wasserstoff durch Methanpyrolyse?

Die Gewinnung von Wasserstoff mittels Methanpyrolyse kann ohne die Erzeugung klimaschädlicher Emissionen erfolgen. Für so positive Klimaeffekte müssen daher die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

  • Gewinnung des verwendeten Methans (Erdgas) ohne Emissionen
  • Vermeiden schädlicher Emissionen von Methan bei der Methanpyrolyse
  • Klimaneutrale Gewinnung der verwendeten Energie (Verwendung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen)

Die beiden letzteren Schritte gestalten sich relativ problemlos. Zum Beispiel ist es möglich, Wind- oder Sonnenenergie (alternativ Kernenergie) zu verwenden. In Zukunft sind eventuell auch neue Hochtemperaturreaktoren als Lieferanten für die Prozesswärme denkbar.

Schwierigkeiten birgt also vor allem der erste Schritt, nämlich die Erdgasgewinnung ohne Emissionen. Gerade neue Methoden wie das Fracking ziehen Emissionen des sehr klimaschädlichen Methans nach sich. Leider werden diese aufgrund der nach wie vor sehr hohen Nachfrage nach Erdgas üblicherweise – und sogar zunehmend – genutzt. Sobald umweltfreundlich einsetzbare Verfahren nicht mehr ausreichen, um Erdgasvorkommen abzutragen, kommen sie zum Einsatz.

Damit die CO2-Neutralität der Methanpyrolyse gewahrt bleibt, müsste also entweder "sauberes" Methan oder Biomethan verwendet werden. Letzteres wird beispielsweise durch die Vergärung von Biomasse gewonnen.[1]

Fazit

Die Methanpyrolyse ist eine fortschrittliche Technologie zur Wasserstoffgewinnung, die derzeit aber noch in den Kinderschuhen steckt und noch nicht reif für den großindustriellen Einsatz ist. Die Entwicklung der Pyrolyse macht aber Fortschritte und es gibt bereits Anlagen für Demonstrationen und Tests in Deutschland, den USA und Australien.

Bei der Methanpyrolyse wird sehr viel weniger elektrische Energie verbraucht als bei konventionellen Verfahren zur Wasserstoffgewinnung wie der Elektrolyse. Allein aus diesem Grund ist die Pyrolyse eine Technik, der man Beachtung schenken und die man weiterentwickeln sollte. Ein weiterer Grund hierfür ist die vergleichsweise preisgünstige Produktion durch Pyrolyse. Außerdem kann durch Verzicht auf klimaschädliche Methoden zur Erdgasförderung und die Verwendung von Methan aus Biomasse (Biomethan) CO2-Neutralität erreicht werden.

Was versteht man unter Methanpyrolyse?

Die Methanpyrolyse spaltet Erdgas oder Biomethan in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff und wird auch als "Methancracken" bezeichnet.

Wie funktioniert Methanpyrolyse?

Bei der Methanpyrolyse aus Erdgas wird dessen Hauptbestandteil Methan (CH4) in Kohlenstoff (C) und Wasserstoffgas (H2) zerlegt. Die Reaktion ist endotherm, was bedeutet, dass sie die Zufuhr von Energie in Form von Hochtemperaturwärme benötigt.

Welche Vorteile hat die Methanpyrolyse?

Für die Gewinnung von Wasserstoff mittels Pyrolyse wird nur ein Fünftel der Energie benötigt, die man für die Gewinnung derselben Menge Wasserstoff mittels Elektrolyse aufwenden muss. Somit hat sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad und ein erhebliches Einsparpotenzial an Energie.

Quellen

[1] https://www.energie-lexikon.info/methanpyrolyse.html
[2] https://bericht.basf.com/2021/de/aktionaere/basf-am-kapitalmarkt/methanpyrolyse.html#:~:text=Methanpyrolyse%3A%20Bei%20der%20Methanpyrolyse%20wird,als%201.000%20Grad%20Celsius%20ben%C3%B6tigt.
[3] https://www.tvt.kit.edu/21_3600.php
[4] https://veranstaltungen.handelsblatt.com/wasserstoff/pyrolyse-als-eine-aussichtsreiche-technologie-der-klimafreundlichen-wasserstofferzeugung/
[5] https://www.dihk.de/resource/blob/24872/fd2csa89df9484cf912199041a9587a3d6/dihk-faktenpapier-wasserstoff-data.pdf