Erdgas-Nutzung ohne CO2-Emissionen

Mittel- und langfristig werden fossile Brennstoffe, vor allem Erdgas, noch eine große Rolle im Energiemix spielen. Daher braucht es innovative Lösungsansätze zur Minderung der schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt. Maßnahmen wie CO2-Abscheidung und Speicherung sind unzureichend, da die Untergrundspeicherung von Kohlenstoffdioxid viele technische und sicherheitsrelevante Probleme darstellt. Eine vielversprechende Alternative, die eben wieder in öffentliche Diskussion gelangt ist, ist die das Energiepotenzial von Erdgas ohne CO2-Emissionen nutzbar macht, ist die thermische Spaltung von Methan, auch „Methane Cracking“ (siehe: solarify.eu/methanspaltung-methane-cracking) genannt.

Methan (CH4), kann unter bestimmten Reaktionsbedingungen (u. a. Temperaturen über 500 °C) und unter Verwendung von Sauerstoff oder Wasserdampf gespalten werden. Dabei laufen u. a. folgende chemische Reaktionen ab: CH4 + ½ O2 -> CO + 2 H2CH4 + H2O -> CO + 3 H2.

Ökobilanz

Sarah Postels (RWTH Aachen), Alberto Abánades (IASS_Potsdam), Niklas von der Assen (RWTH), Renu Kumar Rathnam (IASS), Stefan Stückrad (IASS) und André Bardow (Leitautor RWTH) haben am 28.12.2016 im International Journal of Hydrogen Energy unter dem Titel “Life cycle assessment of hydrogen production by thermal cracking of methane based on liquid-metal technology” (“Ökobilanz der Wasserstofferzeugung durch thermische Methanspaltung auf Basis der Flüssigmetalltechnologie”) eine Untersuchung über die Umweltauswirkung einer neuen Art von Methanspaltung publiziert. Der Abstract (übersetzt):

“Die thermische Spaltung von Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff gilt als potenzielle Technologie zur Wasserstofferzeugung ohne direkte CO2-Emissionen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Methan-Crackprozess auf Basis einer Flüssigmetalltechnologie mittels Ökobilanz analysiert, um die Umweltauswirkungen des Prozesses zu bewerten. Basierend auf experimentellen Daten im Labormaßstab wird das neuartige Methan-Crackverfahren mit den bestehenden Wasserstoff-Produktionswegen Dampfreformierung und Wasserelektrolyse verglichen. Wir betrachten die folgenden Umweltwirkungskategorien: globale Erwärmung, fossile Verarmung, Metallverarmung und Partikelbildung. Nach unserer Analyse kann der Methan-Crackprozess die Auswirkungen der globalen Erwärmung um bis zu 64% im Vergleich zur Dampfreformierung reduzieren. Allerdings ist der Einfluss der fossilen Verarmung auf den Methan-Crackprozess aufgrund des höheren Methaneinsatzes höher. Die Auswirkungen des fossilen Verbrauchs können reduziert werden, indem die Energie des koproduzierten Kohlenstoffs genutzt wird, um die Prozesseffizienz auf Kosten zusätzlicher CO2-Emissionen zu erhöhen. Die Methanversorgung des Prozesses und der Strombedarf für die H2-Trennung wurden als entscheidende Parameter für die Umweltauswirkungen des Prozesses identifiziert.”]

Folgt: IASS-KIT-Programm

IASS-KIT-Programm

Unter anderen diese Untersuchung entstand offenbar aus einem Programm von IASS und KIT, das zuvor früher in einem mehrjährigen Projekt die Methanspaltung untersuchte. Das Programm erforschte die CO2-freie Produktion von Wasserstoff aus Erdgas bei der Methan-Zersetzung (CH4) in Wasserstoff (H) und festen Kohlenstoff (C) bei hohen Temperaturen. Die technologische Durchführbarkeit von „Methane Cracking“ wurde anhand zahlreicher Tests in der Vergangenheit schon unter Beweis gestellt. Das IASS-Projekt baute auf diesen Ergebnissen auf, um einen industrietauglichen Prozess zu entwickeln. Technologische Schlüsselaspekte, wie der Gebrauch von Katalysatoren (metallisch oder kohlenstoffbasiert) in flüssigen Metallen, Systeme zur Koksentfernung, Blasendynamik und Reaktionskinetik wurden untersucht.

Die Methancrackreaktion findet in einem mit Flüssigmetall gefüllten vertikalen Blasensäulenreaktor statt. Als Einsatzgas kann Erdgas oder reines Methan verwendet werden. Es wird am Boden des Kolonnenreaktors eingespritzt. Die am Injektor gebildeten Gasblasen steigen zur Spitze des Reaktors auf. Dabei wird Methan auf Flüssigmetalltemperatur erwärmt und in gasförmigen Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt – Grafik © Heinzel A et al. 2017

Um die Trennung der Reaktionsprodukte und einen kontinuierlichen Betrieb zu erleichtern wurde ein Blasen-Säulen Reaktor (s.o. und unten) entwickelt der mit flüssigem Metall arbeitet. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde ein Prototypreaktor gebaut und ein erster Testlauf im November 2013 abgeschlossen. Eine Reihe weiterer Tests fanden im Laufe des Jahres 2014 statt, um die Konversionsrate von Methan nach Wasserstoff qualitativ zu bestätigen. Ein bedeutender Durchbruch wurde in der ersten Hälfte 2014 erzielt, als Experimente bewiesen, dass ebenfalls hochwertiger, industriell verwertbarer Kohlenstoff bei Temperaturen über 800 ?C effizient hergestellt werden kann. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurde eine Testaufbau mit Zinn als Flüssigmetall gewählt sowie relativ kostengünstige und einfach zu handhabende Materialien für den Reaktor.

Den Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor, der am KALLA gebaut wurde, 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 1.000 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.“

KIT und Uni Hannover: CO2-freie Herstellung von Wasserstoff (2017)

Leonid Stoppel (KIT), Tristan Fehling (Leibniz-Universität Hannover, LUH), Tobias Geißler (KIT), Egbert Baake (LUH) und Thomas Wetzel (KIT) berichteten am 04.09.2017 über das des von der Helmholtz-Allianz geförderte LIMTECH-Projekts (Liquid Metal Technologies). Sie fassten in ihrem Bericht “Carbon dioxide free production of hydrogen” die “theoretischen Modellierungs- und experimentellen Untersuchungsergebnisse des Projekts über die direkte thermische Methanspaltung zusammen”. Der Projektteil B5 “CO2-freie Erzeugung von Wasserstoff” konzentrierte sich auf experimentelle Tests und vor allem “auf die Modellierung der neuartigen Methanspaltmethode auf Basis der Flüssigmetalltechnologie. Das neue Verfahren verwendet einen mit Flüssigmetall gefüllten Blasensäulenreaktor, bei dem sowohl die chemische Reaktion der Methanzersetzung als auch die Trennung der Gasfraktion vom festen Kohlenstoff stattfindet.”

Ein solches Reaktorsystem wurde als Prototyp im Flüssigmetall-Labor ( KALLA – siehe solarify.eu/wasserstoff-aus-methan-co2-frei) am KIT entworfen und gebaut: Die Einflüsse der Flüssigmetall-Temperaturverteilung im Reaktor und der Speisegas-Durchflussmenge auf das Methan-Umwandlungsverhältnis wurden experimentell im Temperaturbereich von 930 C bis 1175° C und der Methan-Durchflussmenge am Reaktoreinlass von 50 bis 200 mLn/min untersucht. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurde am KIT ein thermochemisches Modell entwickelt, das einen Einblick in den Einfluss der oben genannten Parameter gibt, und an der LUH ein CFD-Modell, um einen Überblick über die Blasendynamik im Reaktionssystem zu erhalten. Der Einfluss verschiedener Blasengrößen und -formen, Multi-Inlet Koaleszenzeffekte sowie das Potenzial des elektromagnetischen Rührens wurden untersucht.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist – den Forschern zufolge – nicht zu erwarten, dass Wasserstoff in naher Zukunft vollständig aus Erneuerbaren und nachhaltigen Ressourcen gewonnen wird. Die vorgeschlagene Direktmethanspaltmethode könne daher in relativ kurzer Zeit eine attraktive industrielle Lösung darstellen, die zur Reduzierung der globalen Kohlendioxidemissionen bei der Nutzung fossiler Rohstoffe, d.h. Erdgas, führt. Die Reaktionsprodukte sind gasförmiger Wasserstoff und fester elementarer Kohlenstoff. Der Energiebedarf für diese chemische Reaktion ist moderat, aber eine erhebliche Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts in Richtung der Reaktionsprodukte ist erst ab 800°C (1 atm) möglich. Bei 1200°C liegt der theoretische Wirkungsgrad der Methanumwandlung bei etwa 95%.

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