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Hoffnungsträger Methan : Wasserstoff aus dem Elektro-Ofen

Großindustrielle Ammoniaksynthese bei BASF Bild: KUNZ/Augenklick/BASF/SE/obs

Die chemische Industrie hat einen großen Bedarf an Wasserstoff, den sie selbst herstellt. Der Prozess ist bisher energieintensiv und setzt erhebliche Mengen an Kohlendioxid frei. Es geht aber auch deutlich umweltschonender.

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          Wasserstoff ist nicht nur ein wichtiger Energiespeicher und Brennstoff. Das einfachste aller chemischen Elemente hat auch für die chemische Industrie große Bedeutung. So wird Wasserstoff für die großtechnische Herstellung von Ammoniak und damit von Düngemitteln sowie einer Reihe wichtiger Chemikalien und synthetischer Treibstoffe, etwa Methanol, benötigt. Das zweiatomige Gas wird überwiegend über die sogenannte Dampfreformierung von Erdgas, also von Methan,  gewonnen.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Das Verfahren hat allerdings seinen Preis: Um die notwendige Reaktionshitze von 800 Grad zu erzeugen, werden große Mengen an Erdgas verbrannt. Bei der Verbrennung und Reformierung selbst entstehen große Mengen an klimaschädlichem Kohlendioxid. Dass sich Wasserstoff großtechnisch auch weniger energieintensiv und ressourcenschonender gewinnen lässt, hat jetzt eine dänische Forschergruppe demonstriert. Sebastian Wismann von der Technischen Universität Dänemarks in Kongens Lyngby und seine Kollegen nutzen zur Dampfreformierung einen elektrisch beheizten, kompakten Reaktor.

          Bei der klassischen Dampfreformierung leitet man Methan (CH₄) und Wasserdampf mit hohem Druck und bei großer Hitze durch einen Reaktor. Die beiden Ausgangssubstanzen reagieren unter Anwesenheit eines Metall-Katalysators zu Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO). Letzteres wird anschließend zu Kohlendioxid (CO₂) oxidiert oder gemeinsam mit Wasserstoff als Synthesegas zur Herstellung von Methanol genutzt.

          Drei Prozent der globalen CO₂-Emissionen

          Die Wasserstoffgewinnung läuft in zehn Meter hohen voluminösen Reaktorgefäßen ab, die von Gasbrennern befeuert werden. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Katalysators und der Reaktorwand muss mehr Hitze erzeugt werden, als für den Reformierungsprozess eigentlich notwendig ist. Entsprechend hoch sind die Mengen an benötigtem Brennstoff und an freigesetztem CO₂. Pro Kilogramm gewonnenem Wasserstoff entstehen neun Kilogramm Kohlendioxid. Hochgerechnet sind das rund drei Prozent der globalen Emissionen.

          Größenvergleich: Klassischer Reaktor zur  Dampfreformierung von Methan (links); elektrisch beheizter Reaktor aus Dänemark (rechts)
          Größenvergleich: Klassischer Reaktor zur Dampfreformierung von Methan (links); elektrisch beheizter Reaktor aus Dänemark (rechts) : Bild: DTU Physik

          Das Verfahren der Forscher um Sebastian Wismann erzeugt weniger Kohlendioxid und kommt mit weniger Erdgas aus, da es auf Gasbrenner vollständig verzichtet. Die Wärme wird ausschließlich von einem Strom hervorgerufen, der durch die Innenwand des Reaktorgefäßes fließt. Dadurch entsteht die Wärme unmittelbar dort, wo der Reformierungsprozess stattfindet. Das würde der Ausbeute und Selektivität der Umsetzung zugute kommen, schreiben Wismann und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“. Zudem wurde der Katalysator als dünne Schicht auf die Innenwand des beheizten Reaktors aufgetragen. Dadurch wird weniger Material benötigt.

          Der grüne Weg zum Wasserstoff

          Aufgrund dieses Konzepts kann der dänische Reaktor viel kompakter gebaut werden als ein vergleichbarer Industriereformer. Extrapoliert auf typische Industriemaßstäbe würde in einem rund zwei Meter großen elektrisch beheizten Reaktor mit einem Fassungsvermögen von fünf Kubikmetern etwa so viel Methan in Wasserstoff umgewandelt wie in einem dreizehn Meter hohen Industriereformer mit einem Volumen von 1100 Kubikmetern, nämlich 75 Prozent. Ein vier Meter hoher Reaktor mit 15 Kubikmeter Volumen käme rechnerisch sogar auf 95 Prozent Wasserstoff. Würde man die Dampfreformierung weltweit umstellen, könnte man ein Prozent der Kohlendioxid-Emissionen vermeiden, schätzen die Forscher um Wismann.

          Allerdings wird das dänische Verfahren und die generelle elektrische Beheizung von Industrieprozessen nur dann einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung des weltweiten CO₂-Ausstoßes leisten können, wenn der Strom ausschließlich aus regenerativen Quellen gewonnen wird, beurteilt Christian Sattler vom Institut für Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln die Arbeit der dänischen Forscher. Die elektrische Beheizung industrieller Prozesse erfordert allerdings eine konstante Stromversorgung. Da Sonne und Wind fluktuieren, seien dafür Stromspeicher und intelligente Stromnetze notwendig.

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