Innovation in der Methanspaltung mit revolutionärem Potenzial für die Wasserstofferzeugung
Wasserstoff ist eine attraktive Alternative zu Energie aus fossilen Brennstoffen, da bei seiner Verbrennung im Wesentlichen Wasser und nicht Kohlendioxid (CO2) als Nebenerzeugnis entsteht. Er hat einen der höchsten Energiegehalte pro Masseneinheit aller Brennstoffe, fast dreimal höher als der von Benzin(öffnet in neuem Fenster), so dass sich Wasserstoff ideal für gewichtskritische Bereiche wie die Luft- und Raumfahrt eignet. Wasserstoff – in veränderter Form – kann außerdem mit der derzeitigen Infrastruktur gespeichert, transportiert und verteilt werden. Wasserstoff wird derzeit jedoch größtenteils durch Verfahren auf der Basis fossiler Brennstoffe oder durch Elektrolyse hergestellt, und laut Terje Hauan, Koordinator des EU-finanzierten Projekts ColdSpark(öffnet in neuem Fenster), gehen beide Verfahren mit Problemen einher. „Die herkömmliche Wasserstofferzeugung ist kohlenstoff- und ressourcenintensiv. Auf fossilen Brennstoffen basierende Verfahren benötigen Energie, Wasser und Katalysatoren und erzeugen große Mengen an CO2, während die Elektrolyse große Mengen an Strom und Wasser verbraucht.“ Im Rahmen des ColdSpark-Projekts wurde daher eine nichtthermische Plasmatechnologie (NTP) entwickelt, die Methan (oder Biomethan) in Wasserstoff aufspaltet, so dass direkte CO2-Emissionen vermieden werden und gleichzeitig ein wertvolles Nebenerzeugnis – fester Kohlenstoff – entsteht. „Durch die geringere Energienutzung und den Wegfall des Wasserbedarfs bieten wir einen saubereren und potenziell wirtschaftlicheren Weg der Wasserstofferzeugung“, fügt Hauan von Projektveranstalter SEID(öffnet in neuem Fenster) hinzu.
Der innovative nichtthermische Plasmareaktor
Wasserstoff kann durch folgende Verfahren erzeugt werden: Mittels Elektrolyse unter Verwendung von erneuerbarem Strom (grüner Wasserstoff), Methanreformierung mit Kohlenstoffabscheidung (blauer Wasserstoff) und Kracken/Spalten von Biomethan oder Methan (türkisfarbener Wasserstoff) – das bei ColdSpark verwendete Verfahren. Anders als bei der konventionellen Wasserstofferzeugung wird im Reaktor des Projekts (mit dem Markennamen ColdSpark®) elektrische Energie verwendet, um ein NTP-Feld zu erzeugen, das mit den Methanmolekülen kollidiert und ihre chemischen Bindungen in Wasserstoffgas und festen Kohlenstoff aufbricht. Anstelle eines kontinuierlichen Energiestroms verwendet ColdSpark® komplexere Impulse, die mehr Energie in das Reaktionsgas einbringen und bei der Anwendung eine bessere Plasmakontrolle ermöglichen. „Die chemischen Reaktionen können ablaufen, ohne dass der gesamte Gasstrom auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden muss, was wiederum den energetischen und Reaktorwirkungsgrad verbessert“, erklärt Hauan.
Die duale Produkt-Strategie validieren
Physikalische Versuche und eine chemisch-kinetische Modellierung zum Vergleich von Plasmaarchitekturen halfen bei der Auswahl der besten Designs für den industriellen Maßstab. Durch ergänzende Adsorptionsexperimente und Molekularsiebsimulationen wurden vakuumbasierte Trennverfahren zur Abscheidung von Wasserstoff aus nicht umgesetztem Methan validiert. Im Hinblick auf die Kommerzialisierung führte SEID langfristige Kampagnen durch, aus denen ein wichtiger Betriebsmodus für die drastische Verbesserung des energetischen Wirkungsgrads hervorging. Unterdessen fanden zudem Bewertungen in Bezug auf die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit statt. „Dabei zeigte sich, dass sich die Wettbewerbsfähigkeit der Technologie daran bemisst, wie ,grün‘ der Strom in einer Region bereits ist, wie hoch der Marktwert des erzeugten festen Kohlenstoffs ist und ob bestimmte Schwellenwerte für die Methanumwandlung erreicht werden“, erklärt der technische Leiter Bjarte Kvingedal.
Saubere Energielösung eröffnet neue wirtschaftliche Möglichkeiten
Die Innovationen von ColdSpark leisten einen Beitrag zu zahlreichen EU-Initiativen und -Zielen, am direktesten zur EU-Wasserstoffstrategie und zu REPowerEU(öffnet in neuem Fenster) und im weiteren Sinne zum grünen Deal(öffnet in neuem Fenster), zur Klimaneutralität, zur Energiesicherheit und zur Kreislaufwirtschaft. „Die Nutzung von Methan aus Quellen wie landwirtschaftlichen oder kommunalen Abfällen könnte die Abhängigkeit von Energieimporten verringern, während fester Kohlenstoff als Nebenerzeugnis nachhaltigere Lieferketten ermöglicht“, sagt Hauan. „Gleichzeitig profitiert der Mensch von besseren Umwelt- und Gesundheitsbedingungen sowie von neuen wirtschaftlichen Möglichkeiten, insbesondere in ländlichen Gebieten, in denen dezentrale Wasserstoffsysteme eingesetzt werden können.“ Wahrscheinliche Anwendungen umfassen die Wasserstoffversorgung für die kohlenstoffarme Stahlproduktion, die chemische und Raffinerieindustrie, die Unterstützung von Brennstoffzellen für den Schwerlastverkehr und die Energiespeicherung sowie die Bereitstellung hochwertiger Kohlenstoffmaterialien für unter anderem Batterien, Verbundstoffe, Baustoffe und Reifen. Weitere Pilotanlagen sind in Planung, um die Leistung unter realen Betriebsbedingungen zu validieren. Dank einem modularen Reaktordesign, das potenziell in die bestehende Erdgas- oder Biomethaninfrastruktur integriert werden kann, sieht das Team einer schnellen Markteinführung optimistisch entgegen.
