Nach dem Aus der Kohle-Ära hat sich vor allem Erdgas als klimafreundlichste fossile Alternative etabliert, da es im Vergleich zu Kohle bei Verbrennung oder Verstromung nur etwa die Hälfte an Kohlenstoffdioxid (CO₂) je Kilowattstunde freisetzt. Erdgas kann aber durch den Einsatz innovativer Technologien sogar komplett ohne Freisetzung von CO₂ genutzt werden. Idealerweise sollte dabei erst gar kein Kohlenstoffdioxid entstehen, sondern der Kohlenstoff noch vor der Verbrennung oder anderweitigen Nutzung abgetrennt werden. An solch einem fortschrittlichen Verfahren wird am KIT geforscht.

„Für eine schnelle Transformation des Energiesystems, auch und gerade mit Blick auf den Wärmemarkt und den Transportsektor, sollten wir innovative, klimafreundliche Wege zur Wasserstoffherstellung auf Basis von Erd- oder Biogas in die Überlegungen mit einbeziehen“, sagt Prof. Thomas Wetzel, Mitglied der Institutsleitung am Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT und Leiter des Karlsruher Flüssigmetalllabors KALLA. Sein Team hat die Methanspaltung in einem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor realisiert, um einen Weg zur CO₂-neutralen Nutzung von Erdgas aufzuzeigen und damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Methan durch Erhitzen in seine Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff zu spalten, ist nicht neu. Es gelingt beispielsweise im Labor in kleinen Reaktoren mit beheizten Wänden und Temperaturen jenseits von 1.000 Grad Celsius zuverlässig. Ein wesentliches Problem für die Umsetzung im technischen Maßstab stellt aber die Neigung des Kohlenstoffs dar, sich an heißen Oberflächen abzulagern und den Reaktor damit nach kurzer Zeit zu blockieren. Um den Prozess des Festsetzens zu verhindern, haben sich das IASS und das KIT in einem gemeinsamen Projekt einer neuen Herangehensweise gewidmet: der Pyrolyse unter Verwendung von Flüssigmetall.

Herzstück des Forschungsprojekts ist ein mit flüssigem Zinn bei etwa 1.200 Grad Celsius befüllter, aufrechtstehender Blasensäulenreaktor, der am KIT aufgebaut ist. Das Methangas wird am Reaktorboden durch eine Einfülldüse eingeleitet und dort in Form von Bläschen freigesetzt. Diese steigen aufgrund des Dichteunterschieds nach oben auf und stellen eine Art Mikro-Reaktorkammer für die Aufspaltung bei der Pyrolyse dar. Durch das heiße Zinn erreicht das Methan schnell die erforderliche Reaktionstemperatur, sodass seine Spaltung noch während des Aufsteigens der Bläschen erfolgt. Die Bläschenoberfläche fungiert dabei als Wand, auf der sich der freigesetzte Kohlenstoff ablagert. Das flüssige Zinn dient somit nicht nur als Wärmeübertragungsmedium, sondern verhindert vor allem das Anlagern der Kohlenstoffschichten an der Säulenwand. Kommen die Bläschen am oberen Ende des Flüssigmetallreaktors an, platzen sie auf und setzen ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Restmethan frei. Der feste Kohlenstoff wird aus dem Gasgemisch abgeschieden. Der Wasserstoff wird mittels Gastrennverfahren separiert, sodass schließlich zwei Reaktionsprodukte einzeln vorliegen. Das Restmethan wird dem Pyrolysekreislauf erneut hinzugefügt. Der im Verfahren als Nebenprodukt entstehende, sehr reine Kohlenstoff ist in vielen Einsatzfeldern gefragt: von modernen Bau- und Konstruktionswerkstoffen hin zu Hightech-Anwendungen wie Energiespeicher.

Das große Potenzial der vom Forschungsteam aus KIT und IASS vorangetriebenen Entwicklung wurde unter anderem durch die Auszeichnung mit dem Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft bestätigt. Ein weiterer Beleg für die Innovationshöhe und Relevanz der Technologie ist die Adaption des Verfahrens in anderen Forschungen. „Weltweit forschen mehrere Gruppen an Verfahren für die Methanpyrolyse. Wir sehen, dass unser vor einiger Zeit publiziertes Versuchs-Reaktordesign inzwischen von einigen dieser Gruppen adaptiert und weiterentwickelt wird“, berichtet Prof. Wetzel.

Das Team am KIT geht derweil aber schon die nächsten Schritte, gemeinsam mit dem Industriepartner Wintershall Dea GmbH. Für die Weiterentwicklung der Technologie geht es in erster Linie um Erkenntnisse, die der Skalierung vom Laboraufbau hin zu Anlagen im Industriemaßstab dienen können.

„Ein wichtiger Antrieb für unsere Forschung ist die Überzeugung, dass die Förderung von Erdgas weltweit noch lange Zeit fortgeführt werden wird. Wir müssen daher eine technische Lösung für die klimaneutrale und verantwortungsvolle Nutzung aufzeigen.“

„Unser Ziel ist, sauberen Wasserstoff zu produzieren. Durch unser gemeinsames Forschungsprojekt gestalten wir die klimaneutrale Zukunft unserer Energiesysteme aktiv mit.“

Bilder: Patrick Langer / KIT· Amadeus Bramsiepe / KIT· Markus Breig / KIT