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Methan-Dekarbonisierung
Mittel- und langfristig werden fossile Brennstoffe und insbesondere Erdgas immer noch eine große Rolle in unserem Energiemix spielen. Daher gibt es einen Bedarf an innovativen Lösungsansätzen zur Minderung der 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 das Energiepotential von Erdgas ohne CO2-Emissionen nutzbar macht, ist die thermische Spaltung von Methan, auch „Methan-Cracking“ genannt.
Projektziel und Ergebnisse:
Dieses Projekt untersuchte die CO2-freie Produktion von Wasserstoff aus Erdgas bei der Methan-Zersetzung (CH4) in Wasserstoff (H) und festen Kohlenstoff (C) bei hohen Temperaturen. Kohlenstoff ist ein industrieller Rohstoff von wachsender Bedeutung. Dasselbe gilt für Wasserstoff, der zudem ein vielversprechender Energieträger ist und künftig voraussichtlich stärker nachgefragt wird.
Zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Hauptpartner und mit Beiträgen des Leibniz-Instituts für Katalyse an der Universität Rostock (LIKAT) sowie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) hat das Projekt erhebliche Fortschritte in der Entwicklung dieser Technologie erzielt. Die technologische Durchführbarkeit von „Methan-Cracking“ wurde anhand zahlreicher Tests in der Vergangenheit schon unter Beweis gestellt. Das IASS-Projekt baut 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 werden hier untersucht. Um die Trennung der Reaktionsprodukte und einen kontinuierlichen Betrieb zu erleichtern wurde ein Blasen-Säulen Reaktor 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.
Die Umweltauswirkungen und wirtschaftliche Machbarkeit des vorgeschlagenen Methan-Cracking-Prozesses können als sehr positiv angesehen werden. Dies spricht für weitere Forschung und Entwicklung.
Projektmitglieder:
Prof. Alberto Abánades (Project Leader, 01.2011–12.2016)
Prof. Carlo Rubbia (01.2011–12.2016)
Dr. Stefan Stückrad (10.2011–12.2016)
Dr. Horst Wenninger (08.2013–12.2016)
Dr. Renu Kumar Rathnam (01.2014–03.2016)
Dr. Kian Mehravaran (07.2013–12.2015)
Dr. Ali Ghannadzadeh (11.2012–02.2014)
Dr. Camillo Falco (07.2012–09.2013)
Ausgewählte Publikationen:
A. Abánades, C. Rubbia, D. Salmieri, Thermal cracking of methane into Hydrogen for a CO2-free utilization of natural gas, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, Issue 20, 9 July 2013, Pages 8491-8496.
A. Abánades, C. Rubbia, D. Salmieri, Technological challenges for industrial development of hydrogen production based on methane cracking, Energy, Volume 46, Issue 1, October 2012, Pages 359-363.
M. Plevan, T. Geißler, A. Abánades, K. Mehravaran, R.K. Rathnam, C. Rubbia, D. Salmieri, L. Stoppel, S. Stückrad, Th. Wetzel, Thermal cracking of methane in a liquid metal bubble column reactor: Experiments and kinetic analysis, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 25, 6 July 2015, Pages 8020-8033.
T. Geißler, M. Plevan, A. Abánades, A. Heinzel, K. Mehravaran, R.K. Rathnam, C. Rubbia, D. Salmieri, L. Stoppel, S. Stückrad, A. Weisenburger, H. Wenninger, Th. Wetzel, Experimental investigation and thermo-chemical modeling of methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 41, 2 November 2015, Pages 14134-14146.