Thermische Zerlegung von Methan
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 Energietechnologie mitzuwirken“, erklärt der Leiter des KALLA, 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.“
Den Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor, der in den kommenden Monaten am KALLA entsteht, darf man trotz Namensgleichheit nicht mit einem Großreaktor wie in der Atom-Industrie verwechseln. Er 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 Wetzel. „Wir werden untersuchen, wie viel Wasserstoff wir durch geschickte Prozessgestaltung tatsächlich gewinnen können.“
Vorarbeiten von Rubbia und Abánades vom IASS
Mit dem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor bauen die KIT-Forscher auf früheren Arbeiten von Rubbia und Alberto Abánades vom IASS auf. Sie hatten die thermische Zerlegung 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 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.