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Methanpyrolyse

Definition: die Zerlegung von Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff

Allgemeinerer Begriff: Pyrolyse

Englisch: methane pyrolysis

Kategorie: Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.06.2020; letzte Änderung: 21.02.2021

Die Methanpyrolyse ist eine neu erwogene Methode zur Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas. Das Grundprinzip ist hierbei die Zerlegung von Methan (CH4, Hauptbestandteil von Erdgas) in elementaren Kohlenstoff (C) und Wasserstoffgas (H2). Von Interesse ist hier vor allem die relativ klimaschonende Erzeugung von Wasserstoff, der dann auch als “türkiser Wasserstoff” bezeichnet wird. Man spricht auch von einer Dekarbonisierung des Erdgases.

Die am ehesten genutzte Quelle von Methan ist Erdgas, aber im Prinzip kann genauso beispielsweise Biogas genutzt werden.

Technische Details

Die Zerlegung von Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff ist eine endotherme Reaktion, d. h. sie benötigt die Zufuhr von Energie in Form von Hochtemperaturwärme. Technisch kann dies beispielsweise so geschehen, dass Methangas (bzw. gereinigtes Erdgas) in Form von Blasen von unten nach oben durch geschmolzenes Zinn geleitet wird, dem beispielsweise Elektrowärme zugeführt wird. Oben entweicht dann größtenteils Wasserstoff, und der Kohlenstoff wird in das Zinn abgegeben, von wo er am oberen Ende als eine Art Schlacke abgeschieden werden kann. Der Kohlenstoff wird in Form von relativ reinem Graphit gewonnen und kann für diverse industrielle Herstellungsverfahren genutzt werden – etwa für Stahl, Carbonfaserwerkstoffe oder Elektroden. Derzeit werden entsprechende Pilotanlagen untersucht und optimiert.

Eine ältere Methode ist das Kværner-Verfahren. Hier erfolgt die Zerlegung von Methan nicht in flüssigem Metall, sondern in einem elektrisch erzeugten Plasma. Damit verglichen könnten neuere Verfahren wie oben beschrieben vielleicht effizienter arbeiten. Ein anderer möglicher Vorteil wäre die Nutzung von Hochtemperaturwärme aus allen Quellen – beispielsweise konzentrierte Solarenergie – anstelle von elektrischer Energie. Unterschiede könnten sich auch ergeben bezüglich der nutzbaren Arten von Kohlenwasserstoffen. Ein abschließender Vergleich ist derzeit aber noch nicht möglich.

Klimaeffekte

Theoretisch kann die Herstellung von Wasserstoff durch Methanpyrolyse ohne jegliche klimaschädliche Emissionen erfolgen. Hierfür müssten die folgenden Bedingungen erfüllt werden:

  • Das Methan müsste ohne solche Emissionen gewonnen werden. Leider ist das bei der Erdgasgewinnung jedoch schwer möglich. Vor allem neuere Methoden, z. B. mithilfe von Fracking, führen oft zu erheblichen Emissionen des besonders klimaschädlichen Methans, und diese werden zunehmend genutzt, wenn umweltfreundlicher nutzbare konventionelle Vorkommen erschöpft werden und die Nachfrage nach Erdgas groß bleibt.
  • Emissionen von Methan bei der Pyrolyse selbst müssen vermieden werden. Dies sollte allerdings gut möglich sein.
  • Die verwendete Energie (voraussichtlich elektrische Energie) muss klimaneutral gewonnen werden – was annähernd möglich ist beispielsweise durch Verwendung von Windenergie oder Sonnenenergie, oder alternativ mit Kernenergie. (Eventuell könnten zukünftig neue Hochtemperaturreaktoren Prozesswärme für solche Verfahren liefern.)

Das Problem liegt also vor allem bei der Erdgasgewinnung. Es würde auch nicht dadurch gelöst, dass man “sauber” förderbares Erdgas für diesen Zweck reserviert und dafür entsprechend mehr “dreckiges” Gas für andere Zwecke nutzt.

Immerhin könnte die Methanpyrolyse im Vergleich mit manchen anderen Arten der Wasserstoffherstellung – insbesondere Dampfreformierung (siehe unten) deutlich weniger klimaschädlich sein.

Vergleich mit anderen Verfahren

Dampfreformierung

Wasserstoff wird bereits in großen Mengen (z. B. für die Chemieindustrie) aus Erdgas hergestellt, bisher aber mithilfe der Dampfreformierung. Hierbei kann die Ausbeute an Wasserstoff in Bezug auf die genutzte Menge von Erdgas deutlich höher sein, wenn eine externe Wärmequelle (etwa elektrische Energie oder Wärme aus konzentrierter Solarenergie) genutzt wird; wenn dagegen ein Teil des Erdgases verbrannt wird, um die nötige Wärme zu erzeugen, kann die Ausbeute geringer ausfallen.

Ein wesentlicher Nachteil der Dampfreformierung ist jedoch, dass dabei Kohlendioxid (CO2) entsteht, welches üblicherweise in die Atmosphäre entlassen wird, weil es in großen Mengen schwer nutzbar ist. Vor allem dadurch ist diese Art der Wasserstoffgewinnung klimaschädlich.

Diesbezüglich ist die Methanpyrolyse günstiger: Der erhaltene Kohlenstoff kann leicht abgetrennt und ohne die Entstehung von Kohlendioxid genutzt werden. Natürlich darf der Kohlenstoff dafür nicht verbrannt (also energetisch genutzt) werden.

Elektrolyse

Wasserstoff kann auch aus elektrischer Energie durch Elektrolyse gewonnen werden. Man benötigt dann einerseits keine Zufuhr einer energiereichen Substanz wie Erdgas, sondern nur Wasser, andererseits aber rund viermal mehr elektrische Energie.

Die Methanpyrolyse hat gegenüber der Elektrolyse also den Vorteil, dass sich mit begrenzten Mengen erneuerbarer Energie viel mehr Wasserstoff gewinnen ließe.

Mögliche Rolle der Methanpyrolyse in Chemie und Energieversorgung

Besonders interessant würden Verfahren der Methanpyrolyse, wenn zukünftig eine Wasserstoffwirtschaft aufgebaut wird, also große Mengen von Wasserstoff benötigt werden. Hier würde eine immerhin deutlich klimaschonendere Art der Wasserstoffherstellung helfen, einen entscheidenden Vorteil der Wasserstoffwirtschaft – einen Beitrag zum Klimaschutz – zu realisieren. Selbst wenn die Methanpyrolyse wegen der Erdgasgewinnung nicht völlig klimaneutral wäre, könnte sie als relativ schnell realisierbare Übergangslösung den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft erleichtern.

Auch ohne eine ausgedehnte Wasserstoffwirtschaft gibt es vor allem in der Chemieindustrie bereits einen erheblichen Bedarf an Wasserstoff, der bislang weitgehend durch Dampfreformierung gedeckt wird. Hier könnte die Methanpyrolyse die klimaschädlichen Emissionen deutlich reduzieren.

Denkbar wäre auch ein Einsatz im Rahmen der Sektorkopplung, etwa der Einsatz von Windenergie und der Betrieb der Kværner-Anlagen vorzugsweise in Zeiten mit gutem Windstromangebot (bzw. generell in Zeiten mit Stromüberschüssen und entsprechend niedrigen Strompreisen).

Fragen und Kommentare von Lesern

08.07.2020

Könnte man statt Erdgas nicht einfach Methan aus Biogasanlagen nutzen? Natürlich unter der Voraussetzung, dass die Maschinen für die Produktion der Pflanzen für die Vergärung auch mit Wasserstoff betrieben werden und somit keine zusätzlichen CO2-Emissionen entstehen.

Antwort vom Autor:

Natürlich funktioniert die Methanpyrolyse auch mit Biogas. Allerdings ist dies nur in begrenzten Mengen verfügbar. Wenn Sie einen Teil des Biogas für die Wasserstoffherstellung reservieren, wird dafür voraussichtlich zusätzliches Erdgas für andere Zwecke verwendet.

20.07.2020

Kann der elementare Kohlenstoff wie Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung und Kohlenstoffspeicherung im Boden genutzt werden?

Antwort vom Autor:

Ja, das sollte durchaus möglich sein.

08.12.2020

Wo in Europa oder der Welt findet türkiser Wasserstoff bereits Anwendung? Gibt es also außerhalb von Deutschland bereits kommerzielle Anlagen?

Antwort vom Autor:

Hierfür gibt es bislang nur Prototyp-Anlagen im kleinen Maßstab. Eine kommerzielle Anwendung scheitert vorerst allein schon daran, dass ohne finanzielle Anrechnung des CO2-Vorteils (etwa über eine CO2-Steuer auf Reformer-Wasserstoff) keine Konkurrenzfähigkeit gegeben sein wird. Wir brauchen also einerseits eine weitere technische Entwicklung und andererseits einen fairen Markt unter Berücksichtigung externer Kosten.

17.01.2021

Könnten die Russen in Sibirien nicht Kernkraft nutzen, um Pyrolyse des Erdgases durchzuführen? So würde Russland zu einem Lieferanten von Wasserstoff statt Erdgas werden und könnte z. B. die deutschen Ammoniakhersteller mit um viermal energieeffizienterem Wasserstoff beliefern als mit Wasserelektrolyse vor Ort oder an Offshore-Windkraftwerken. Damit würden Nordstream 1 und 2 eher zu effektiven Klimaschutzprojekten.

Antwort vom Autor:

Die für die Methanpyrolyse benötigten Temperaturen liegen selbst für Hochtemperaturreaktoren ziemlich hoch. Immerhin denkbar wäre, dass zukünftig solche Reaktoren entwickelt würden. Dann wäre allerdings eine weitere Frage, ob diese nicht besser bei uns stehen würden, da das Erdgas besser transportierbar ist als Wasserstoff. Verluste von Wasserstoff durch Undichtigkeiten in Leitungen über Tausende von Kilometern könnten ein Problem sein.

Natürlich kann man auch über andere Arten der Gewinnung von Hochtemperatur-Wärme nachdenken, beispielsweise mit konzentrierter Solarstrahlung.

20.01.2021

Würde man durch die Verwendung von Methan aus Biogasanlagen, das ohne zusätzliche Emissionen erzeugt wurde, nicht sogar CO2 indirekt aus der Atmosphäre filtern, sofern der abgeschiedene Kohlenstoff nicht verbrannt wird?

Antwort vom Autor:

Ja, durchaus: Die verwendeten Pflanzen nehmen ja beim Wachstum CO2 aus der Luft auf, und der gebundene Kohlenstoff könnte dann z. B. dauerhaft abgelagert werden. In der Praxis muss man eben auf ungünstige Effekte achten, beispielsweise die Emission von klimaschädlichem Methan durch Undichtigkeiten und die Entstehung von Lachgas im Ackerbau.

23.01.2021

Ist die Energiebilanz dergestalt, dass man im Prinzip die thermische Energie für die Pyrolyse nur aus der Verbrennung aus einem Teil des gewonnenen Wasserstoffs generieren könnte? Input Methan und Luft, Output (weniger) Wasserstoff, Wasser und Graphit. Dazu Hochtemperatur-Brennstoffzellen… Das wäre doch bei entsprechender Herunterskalierung ein umweltfreundlicher Schiffsantrieb.

Antwort vom Autor:

Die Standardbildungsenthalpie von Methan ist −75 kJ/mol, betragsmäßig deutlich weniger als die von Wasser −286 kJ/mol. Daraus folgt, dass man den kleineren, aber doch nicht nur einen unerheblichen Teil des Wasserstoffs dafür opfern müsste, selbst wenn man dies einigermaßen effizient tut.

28.01.2021

Könnte man zur Wasserstoffgewinnung auch andere Alkane der Pyrolyse unterziehen?

Antwort vom Autor:

Im Prinzip ja. Jedoch kann man nur Methan günstig in großen Mengen in Form von Erdgas gewinnen. Höchstens käme noch Propan u. ä. aus Erdölraffinerien in Frage, um wenigstens einen kleinen Teil des Erdöls klimaneutral nutzen zu können.

05.02.2021

Würde man hochkonzentrierende Solarenergie z. B. mit Solartürme in der Sahara nutzen, um aus Erdgas Waserstoff zu machen und den Wasserstoff in die Erdgaspipeline der ENI von Libyen nach Zentraleuropa einspeisen (z. B. 5%) – würde dann dieser auch hier ankommen und damit die CO2-Emissionen von Erdgasheizungen verbessern, oder ist bis dahin aller Wasserstoff aus den Pipelines rausdiffundiert? Wäre so ein Revival von Desertec denkbar?

Antwort vom Autor:

Eine interessante Idee. Ich bin nicht sicher, ob die bestehende Erdgasleitung hierzu geeignet wäre, aber das könnte durchaus sein.

20.02.2021

Ist es möglich, zusätzlich angesaugte Luft, wo CO2 enthalten ist, in die Pyrolyse zu integrieren, um möglichst viel Kohlenstoff aus der Luft zu filtern?

Ist dies auch mit einer Biogasanlage vor Ort möglich? Oder müsste das Biogas für eine Pyrolyse noch weit transportiert werden?

Antwort vom Autor:

Die Pyrolyse von CO2 wäre sehr energieaufwendig und dürfte mit den hier eingesetzten Methoden keineswegs funktionieren.

Man wird sehen, ob auch kleine Pyrolyseanlagen zu vernünftigen Kosten entwickelt und hergestellt werden können. Noch ist das Verfahren in einer sehr frühen Entwicklungsphase.

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Literatur

[1]Presseinformation des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) über ein Projekt zur Entwicklung der Methanpyrolyse, https://www.kit.edu/kit/pi_2019_wasserstoff-aus-erdgas-ohne-co2-emissionen.php

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wasserstoff, Erdgas, Klimaschutz, Methanschlupf
sowie andere Artikel in der Kategorie Grundbegriffe

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