Wasserstoff aus Methan ohne CO2-Ausstoß

25.03.2013: Wasserstoff aus Methan herzustellen, ohne dass dabei Kohlendioxid entsteht, ist Ziel eines Projekts, an dem das KIT maßgeblich beteiligt ist: Im Karlsruher Flüssigmetalllabor KALLA bauen Forscher einen neuartigen Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor auf, der eingeleitetes Methan unter hoher Temperatur in Wasser-stoff und elementaren Kohlenstoff zerlegt. Das KIT fungiert dabei als Partner des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS).

Aus fossilen Brennstoffen Energie gewinnen, ohne dabei den Ausstoß von klimaschädlichem Kohlendioxid zu verursachen – diese Vision könnte durch das Forschungsprogramm „Verbrennung von Methan ohne CO2-Emissionen“ Wirklichkeit werden. Seit Ende 2012 ist das KIT Partner in dem Programm, das zum Cluster „Erdsystem, Energie und Umwelt“ (E³) am Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potdam gehört. „Dies ist ein wirklich zukunftsweisendes Experiment mit dem Ehrgeiz, fossile Energieträger zu nutzen, ohne dass CO2 frei wird.", sagte der Wissenschaftliche Direktor des IASS und Physik-Nobelpreisträger Professor Carlo Rubbia im Rahmen seines Besuchs am KIT.

Wasserstoff stellt ein aussichtsreiches Medium für Energiespeicherung und Energietransport der Zukunft dar. Allerdings ist er nur in gebundener Form verfügbar, nämlich in Wasser (H2O) oder in Koh-lenwasserstoffen wie in Erdöl, Erdgas oder Kohle. Der Wasserstoff muss also zunächst abgespalten werden. Bei herkömmlichen Trenn-verfahren entsteht das klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid. Die heutige weltweite Wasserstoffproduktion verursacht rund fünf Prozent der globalen CO2-Emissionen.

Zur CO2-freien Wasserstoffherstellung setzt das Projekt am KIT auf die thermische Zerlegung von Methan in einem Hochtemperatur-Blasensäulenreaktor. Damit betreten die Karlsruher Forscher wissenschaftliches Neuland. „Mit dem Projekt haben wir die Chance, an der Entwicklung von Grundlagen für eine völlig neue Energietechno-logie mitzuwirken“, erklärt der Leiter des KALLA, Professor Thomas Wetzel. „Sollte sich die Machbarkeit bestätigen lassen, würde die nachhaltige Herstellung und Nutzung von Wasserstoff sogar aus fossilen Quellen möglich, die bei konventioneller Nutzung klimaschädlich wären.“

Der Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor, der in den kommenden Monaten am KALLA entsteht, ist eine senkrecht stehende Säule von rund einem halben Meter Höhe mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern. Gefüllt ist die Säule mit flüssigem Metall, das bis auf 1000 Grad Celsius erhitzt wird. Durch einen porösen Körper am unteren Ende wird Methan in feinen Bläschen eingeleitet. Diese steigen an die Oberfläche. „Bei solch hohen Temperaturen zerfällt das Methan in den aufsteigenden Bläschen zunehmend in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff“, erklärt Professor Thomas Wetzel. „Wir werden untersuchen, wie viel Wasserstoff wir durch geschickte Prozeßgestaltung tatsächlich gewinnen können.“

Mit dem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor bauen die KIT-Forscher auf früheren Arbeiten von Professor Carlo Rubbia und Professor Alberto Abánades vom IASS auf. Sie hatten die thermische Zerle-gung von Methan in einem Gasphasenreaktor durchgeführt. Bei dieser Gasphasenreaktion setzt sich der entstehende Kohlenstoff jedoch an den Reaktorwänden ab. Damit werden die Gaskanäle nach kurzer Zeit blockiert, sodass kein kontinuierlicher Prozess möglich ist. „In dem nun mit den IASS-Kollegen geplanten Reaktor übernimmt die Hülle der Bläschen die Rolle der Wand“, erläutert Thomas Wetzel. „Erst wenn die Bläschen an der Oberfläche des flüssigen Metalls platzen, wird Kohlenstoff frei. Die Reaktorwand erneuert sich sozusagen immer wieder.“ Ein ähnliches Vorgehen wurde erstmals von Forschern um Manuela Serban in einer Arbeit aus dem Argonne National Lab, USA, vor etwa zehn Jahren beschrieben. Das Verfahren ist seitdem aber nicht weiterentwickelt worden.

Nach dem Aufbau des Versuchsreaktors werden die KIT-Wissenschaftler noch in diesem Jahr die Wirkung verschiedener Einflussparameter auf die Prozessführung und die mögliche Wasserstoffausbeute untersuchen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten am KIT liegt auf grundlegenden wissenschaftlichen Fragen, beispielsweise nach der Identifizierung der Reaktionspfade, welche die Zusammensetzung des Produktgasstroms beeinflussen und nach Möglichkeiten, den Kohlenstoff aus dem Reaktor zu entfernen. Parallel dazu befassen die Forscher sich mit der Materialauswahl für mögliche zukünftige industrielle Reaktoren, der Filtertechnik und der Entwicklung von Sonden für eine spätere kontinuierliche Prozessführung.