Energie ohne Reue

Aus H2 werden verschiedene chemische Verbindungen synthetisiert, die unsere moderne Gesellschaft – allen voran die grüne Revolution – erst ermöglichten. Die Düngemittel für unsere Landwirtschaft verschlingen den größten Anteil des hergestellten Wasserstoffs. Aus Luftstickstoff und Wasserstoff wird der Düngemittelbestandteil Ammoniak produziert (Haber-Bosch-Ammoniaksynthese), eine Erfindung, die vor mehr als 120 Jahren die moderne Landwirtschaft ermöglichte und den Hunger der Weltbevölkerung bekämpfte. Aber auch zur Veredelung von anderen Kohlenwasserstoffverbindungen, zum cracken von (langkettigem) Schweröl, bis hin zur Härtung von Pflanzenölen zu streichzarter Margarine wird Wasserstoff eingesetzt.

Außerdem ist es die hohe Energiedichte des Wasserstoffs, die dreifach höher ist als beim Benzin, die ihn besonders für Mobilitätsanwendungen interessant macht. Als Raketentreibstoff zur Beförderung von Satelliten und immer häufiger auch als Energieträger für Fahrzeuge wie Bus, Bahn oder Auto. Dabei kann das Gas in einem Verbrennungsmotor als Treibstoff genutzt werden, in dem es ähnlich wie Benzin oder Diesel Wärme und mechanische Energie erzeugt oder in einer Brennstoffzelle elektrische Energie für den Antrieb von Elektromotoren erzeugen.

Aus der Schule wird sich noch jeder an den Knallgasversuch erinnern. Der dafür benötigte Wasserstoff wird aus Wasser „elektrolytisch" mit elektrischem Gleichstrom zerlegt, wobei an einer Elektrode O2 und an der anderen H2 entsteht. Diese Methode ist mit Sicherheit die direkteste und mit keinerlei lokalen Schadstoffen behaftete Erzeugungsart. Doch die dafür nötige elektrische Energie ist bisher vergleichsweise zu teuer, um sie in Wasserstoff zu verwandeln und je nach Art der Erzeugung mit Kohle, Gas oder Atom mit entsprechenden Emissionen oder Risiken verbunden.

 

Werden jedoch die gewaltigen Elektrizitätsüberschüsse aus nicht direkt regelbaren regenerativen Energien eingesetzt, wendet sich die Bilanz wiederum auf die positive Seite. Denn anstatt bei Stromüberschuss die Wind- und Solarkraftwerke abzuregeln, kann der Strom für die Herstellung von Wasserstoff eingesetzt und damit „gelagert" werden. Doch es gibt noch einen weiteren Weg, der die Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff attraktiv für den Klimaschutz macht. Laut einer Studie der internationalen Beratungsfirma Pöyry könnte die eingangs vorgestellte Methanpyrolyse den Ausbau von Erneuerbaren fördern und zugleich eine Dekarbonisierung mit emissionsfreiem Wasserstoff begünstigen.

 

Doch wozu das Erdgas? Methan (CH4) als Hauptbestandteil von Erdgas hat einen besonders hohen Wasserstoffanteil, der einfach abzuspalten ist. Deshalb ist Erdgas mit 68 Prozent (neben 16 Prozent Erdöl, 11 Prozent Kohle und 5 Prozent Strom) schon gegenwärtig die Hauptgrundlage der Wasserstoffproduktion. Eine relativ einfach zu erzeugende Basisreaktion wandelt Methan und Wasserdampf CH4 + 2H2O <-> 4H2 + CO2 in Wasserstoff und CO2, doch bei dieser eingangs bereits erwähnten „Dampfreformierung" (in der andern Richtung „Methanisierung") entsteht exakt genauso viel CO2 wie bei der direkten Verbrennung von Methan (CH4+2O2 <-> CO2+2H2O, also 1:1). Da alle Prozessschritte dieser Art der Wasserstofferzeugung (zuzüglich Gasreinigung und Handhabung) mit stofflichen bzw. energetischen Verlusten behaftet sind, ist sowohl die CO2-, also auch die Energiegesamtbilanz der Gasreformierung schlechter als die direkte Verbrennung von Methan. Die Erzeugung und energetische Verwertung von H2 aus Erdgas im Verfahren der sogenannten Reformierung ist somit insbesondere bei Mobilitätsanwendungen oder thermischer Nutzung kein wirklicher Beitrag zum Klimaschutz.

Gefragt sind somit alternative Wege, H2 aus Methan ohne CO2-Emission zu erzeugen. Die Erdgas-Pyrolyse könnte hier ein wichtiger Baustein sein. Dies erklärt, warum das Potsdamer IASS und das KIT Karlsruhe mit Hochdruck an einem Pyrolysereaktor arbeiten, der auf einer Flüssigmetalltechnologie beruht. Dabei wird Methan (CH4) von unten durch eine Säule mit geschmolzenem Zinn geblubbert. Dank der kleinen Gasbläschen findet dabei ein sehr schneller Wärmeübertrag statt, wodurch der Kohlenstoff C vom Wasserstoff H2 abgespaltet wird. Der elementare Kohlenstoff entsteht an der Bläschenhaut und kann, oben in der Säule angekommen, in Pulverform einfach von der Oberfläche des Zinns abgetrennt werden.

 

Der Vorteil: Bei diesem Verfahren wird kein CO2 freigesetzt und der anfallende Kohlenstoff stellt sich als wertvoller industrieller Rohstoff dar. Im Flüssigmetalllabor am KIT lief der Test-Reaktor bei Temperaturen von rund 1.200 °C im zweiwöchigen Dauerbetrieb und erzeugte Wasserstoff mit einer Umwandlungsrate von bis zu 78 Prozent. Dies war ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung im industriellen Maßstab. Der energetische Brennwert des H2 ist zwar nur etwa ein Drittel des zuvor eingesetzten Methans – der Rest steckt im Kohlenstoffbrennwert – der verbleibende Kohlenstoff kann indes weiter verwertet werden. Dies dürfte auch der Grund dafür sein, warum nach Angaben der Nachrichtenagentur bloomberg Unternehmen, wie die PAO Gasprom oder BASF auf die Weiterentwicklung der Methanpyrolyse setzen.

Die Wirtschaftlichkeit bzw. das Marktpotenzial der Technologie unterliegt noch zahlreichen Unwägbarkeiten wie fluktuierenden Preisen für Gas und CO2. Schon bei einem CO2-Emissionspreis (Zertifikat oder Steuer) von 50 Euro pro Tonne könnte die Methanpyrolyse im Vergleich zu anderen Verfahren wettbewerbsfähig produzieren, denn für beide Endprodukte gibt es beträchtliche Marktpotenziale:

• Wasserstoff für die Nutzung in Brennstoffzellen, zur Stromerzeugung, in wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen sowie als Rohstoff für industrielle Anwendungen und die Produktion von Ammoniak
• elementarer Kohlenstoff u.a. für die Produktion von Stahl, als Leiter für Batterien und für zahlreiche andere Anwendungen von Carbonfasern bis hin zu Schmierstoffen und Farben