Ziel der Entwicklung
Die Minderung der Treibhausgasemissionen ist essenziell zur Begrenzung des Klimawandels. Emissionsfrei oder -arm hergestellter Wasserstoff kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Die Elektrolyse ist eine Möglichkeit zur klimafreundlichen Wasserstoffbereitstellung, die allerdings die Verfügbarkeit ausreichender Mengen regenerativen Stroms voraussetzt. In der Nutzung von methanhaltigen Gasen wie Biogas besteht über die Reformierung oder Pyrolyse eine weitere Möglichkeit zur Wasserstofferzeugung, die bei Abscheidung des CO₂ bzw. Kohlenstoffs sogar negative Emissionen ermöglicht.
Der als Nebenprodukt der Pyrolyse gebildete feste Kohlenstoff ermöglicht neben einer Deponierung auch eine Nutzung in verschiedenen technischen Anwendungen, z.B. der Stahlerzeugung, der Reifenherstellung oder als Pigment. Die Methanpyrolyse ist in der technischen Umsetzung angesichts der Kohlenstoffabscheidung bei hohen Reaktionstemperaturen allerdings herausfordernd. Das durchgeführte Vorhaben hatte deswegen zum Ziel, ein zweistufiges Verfahren zur CO2-neutralen Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas, Biogas bzw. Methan im Allgemeinen zu entwickeln, bei dem Kohlenstoff als Feststoff abgeschieden wird. Das Methan soll dabei in einer ersten Reaktionsstufe durch trockene Reformierung in CO-reiches Synthesegas überführt werden, während in der zweiten Stufe die eigentliche Kohlenstoffbildung erfolgt (vgl. Abbildung 1). Die Reaktion entspricht insgesamt betrachtet zwar der Methanpyrolyse, durch die Auftrennung in zwei Teilschritte können aber wesentliche Nachteile der Methanpyrolyse vermieden werden.
Vorteile und Lösungen
Das Verfahren ermöglicht durch die Aufteilung der Methanpyrolyse in die zwei Teilschritte trockene Reformierung und Boudouard-Reaktion die Vermeidung wesentlicher Nachteile der direkten Pyrolyse, verbunden mit Vorteilen für die technische Umsetzung. Es ist mit dem Verfahren möglich, emissionsarmen Wasserstoff und Kohlenstoff herzustellen, die für verschiedene Anwendungen benötigt werden. Im Rahmen des Vorhabens konnten geeignete Katalysatoren bzw. Bettmaterialien für beide Prozessstufen identifiziert werden, die eine Anwendung ermöglichen. Vorteilhaft ist, dass insbesondere in der zweiten Reaktionsstufe Reststoffe als Bettmaterial eingesetzt werden können und somit keine rohstoff- und kostenintensive Herstellung von Bettmaterialien erforderlich ist.
Entsprechend der durchgeführten Arbeiten zum technischen Konzept besteht auch eine Möglichkeit zur technischen Umsetzung. Die gezielte Abscheidung von Kohlenstoff als Nebenprodukt bedingt gegenüber der Reformierung zwar Nachteile bzgl. Wirkungsgrad und Kosten, solange der Kohlenstoff nicht genutzt wird, ermöglicht aber auch die Bereitstellung eines werthaltigen Produkts, das in diversen technischen Anwendungen benötigt wird.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das entwickelte Verfahren adressiert mehrere Zielgruppen. Einerseits profitieren die Anwender von Wasserstoff bzw. Kohlenstoff direkt durch die Bereitstellung der Produkte, da sie umweltfreundliche Ausgangsstoffe für Ihre Prozesse erhalten. Dies betrifft beispielsweise die Stahlindustrie oder Reifenhersteller.
Andererseits eröffnen sich für Betreiber von Biogasanlagen alternative Nutzungs- und Vermarktungsmöglichkeiten. Insbesondere besteht auch die Möglichkeit für regionale Wertschöpfung im Bereich der Wasseraufbereitung. Eisensande als Abfallprodukt der Trinkwasseraufbereitung sind bevorzugtes Bettmaterial für die zweite Reaktionsstufe und können so bspw. in COnnHy-Anlagen genutzt werden, die an Klärgasanlagen betrieben werden. Neben den direkten Anwendern profitieren zusätzlich auch Unternehmen des Anlagenbaus.
Um den Wissenstransfer zu unterstützen, wurden die Projektergebnisse in mehreren Veröffentlichungen und Vorträgen präsentiert. Im Vorhaben konnten insgesamt positive Ergebnisse erreicht werden, wobei auch weiterer FuE-Bedarf identifiziert wurde, der für eine technische Umsetzung zu bearbeiten ist. Die direkte Einbeziehung möglicher Anwender in die anwendungsorientierte Weiterentwicklung soll die Vermarktungsaussichten weiter verbessern.