Stanford-Forscher machen Wasserstoff aus Methan – und binden den Kohlenstoff als wertvolles Graphit

Methan besteht aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen. Bei großer Hitze lassen sich diese Bestandteile voneinander trennen: Zurück bleiben Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Ein Teil dieses Kohlenstoffs entsteht sogar in Form von Graphit. Dieses Prinzip könnte die Herstellung von Wasserstoff aus Methan deutlich effizienter machen. Statt den enthaltenen Kohlenstoff größtenteils als CO₂ freizusetzen, lässt er sich als Feststoff auffangen.

Forscher der Stanford University haben dafür ein Verfahren zur Methanpyrolyse weiterentwickelt. Der entscheidende Unterschied zu bisherigen Ansätzen liegt darin, wie der Reaktor seine Hitze bekommt. Das Team erhitzt ihn nicht ausschließlich von außen, sondern erzeugt einen großen Teil der benötigten Wärme direkt im Inneren.

Wasserstoff aus Methan lässt sich so effizienter herstellen

Methanpyrolyse ist grundsätzlich keine neue Technik. Das Verfahren benötigt jedoch Temperaturen von etwa 1000 Grad Celsius. Bei kleinen Versuchsreaktoren lässt sich diese Hitze noch vergleichsweise einfach von außen zuführen. Bei großen Anlagen wird das schwieriger. Je größer der Reaktor, desto schlechter gelangt die Wärme bis in sein Inneres.

„Wenn man Pyrolyse in dem Maßstab betreiben will, der für den Wasserstoffmarkt erforderlich ist, braucht man sehr große Reaktoren“, erklärt Matteo Cargnello, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen in Stanford. Genau dort stößt eine äußere Beheizung an physikalische Grenzen. Große Behälter gleichmäßig auf sehr hohe Temperaturen zu bringen, kostet viel Energie.

Der Reaktor erzeugt seine Hitze direkt im Inneren

Das Team verlegte deshalb die Wärmequelle in den Reaktor. Dort verbrennt ein Teil des erzeugten Wasserstoffs mit Sauerstoff. Dabei entsteht vor allem Wasser. Die frei werdende Wärme treibt gleichzeitig die weitere Spaltung des Methans an. Fachleute sprechen von einem autothermen Prozess.

Als Katalysator verwendeten die Forscher kostengünstiges Eisenoxid. Das Material befand sich in einem sogenannten Wirbelbett und wurde auf rund 950 Grad Celsius erhitzt. Laut der Veröffentlichung könnte diese interne Beheizung den möglichen Durchsatz bei industriell relevanten Reaktorgrößen um mehrere Größenordnungen erhöhen.

Der Kohlenstoff bleibt zum großen Teil fest gebunden

Die klassische Wasserstoffproduktion aus Erdgas läuft meist über die sogenannte Dampfreformierung. Dabei reagiert Methan mit Wasserdampf. Neben Wasserstoff entsteht letztlich viel Kohlendioxid. Bei der Methanpyrolyse wird das Kohlenstoffatom dagegen überwiegend als fester Kohlenstoff abgetrennt.

Völlig ohne CO₂ kommt auch das Stanford-Verfahren nicht automatisch aus. Wasser, das bei der internen Verbrennung entsteht, kann mit Methan reagieren und dabei Kohlendioxid bilden. Die Forscher entwickelten jedoch eine Strategie, um diese direkten Emissionen nahezu auf null zu senken. Für einen optimierten Prozess schätzen sie die CO₂-Menge pro erzeugter Wasserstoffmenge auf rund ein Drittel der Emissionen der herkömmlichen Dampfreformierung.

Die Klimabilanz hängt vom gesamten Prozess ab

Eine Lebenszyklusanalyse kommt auf eine Klimawirkung von etwa 1,9 bis 4,5 Kilogramm CO₂-Äquivalenten je Kilogramm erzeugtem Wasserstoff. Gemeint sind damit sämtliche berücksichtigten Treibhausgasemissionen der Herstellung, umgerechnet auf die Wirkung von Kohlendioxid. Der Wasserstoff selbst bleibt chemisch schlicht H₂ und enthält kein CO₂.

„Man kann CO₂-Emissionen vermeiden, indem man sie gar nicht erst entstehen lässt“, sagt Henry Moise vom Department of Chemical Engineering in Stanford. Gleichzeitig lasse sich die Klimabilanz verbessern, wenn Energie effizienter genutzt werde. Gerade dieser zweite Punkt ist für große industrielle Anlagen entscheidend.

Aus dem Reststoff entsteht überraschend hochwertiger Graphit

Neben dem Wasserstoff entsteht ein zweites Produkt: Kohlenstoff. Die Analysen ergaben einen Graphitisierungsgrad von 96 Prozent. Damit erfüllt das Material laut den Forschern Anforderungen an Ausgangsstoffe für Graphitprodukte. Graphit wird unter anderem für Elektroden und Batterien benötigt.

Die hohe Qualität überraschte auch das Team. „Wir hätten durchaus mit höherwertigem Kohlenstoff gerechnet, aber der Grad der Graphitisierung und die Qualität waren einfach so hoch“, sagt Moise. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen wie Batteriematerial sei das Produkt allerdings noch nicht rein genug, schränkt Cargnello ein.

Wasserstoff bleibt für Industrie und Landwirtschaft unverzichtbar

Wasserstoff dient heute unter anderem als Ausgangsstoff für Ammoniak. Daraus entstehen große Mengen Kunstdünger. Außerdem kommt Wasserstoff in Raffinerien zur Entschwefelung von Kraftstoffen und bei der Herstellung von Methanol zum Einsatz. Entsprechend groß ist der Bedarf.

Die nächsten Schritte sollen deshalb klären, wie sich der autotherme Reaktor weiter vergrößern lässt. Cargnello sieht in den bisherigen Ergebnissen einen wichtigen Fortschritt, warnt aber vor vorschnellen Schlüssen: „Das ist ein großer Schritt nach vorn, aber es sind noch weitere Schritte und mehr Forschung nötig.“ Erst größere Anlagen müssen belegen, ob sich das Verfahren auch für die breite industrielle Wasserstoffproduktion eignet.

Kurz zusammengefasst:

• Bei der Methanpyrolyse wird Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt, sodass deutlich weniger CO₂ entsteht als bei der herkömmlichen Dampfreformierung.
• Stanford-Forscher beheizen den Reaktor direkt von innen und erhöhen damit die Effizienz und die Chancen, das Verfahren auf große Anlagen zu übertragen.
• Als Nebenprodukt entsteht stark graphitisierter Kohlenstoff, der sich als Ausgangsmaterial für Graphit nutzen lässt; für den industriellen Einsatz ist aber weitere Forschung nötig.

Übrigens: Methan lässt sich nicht nur in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegen – spezielle Bakterien können daraus auch Treibstoff, Tierfutter und Bioplastik machen. Wie Mikroben das Klimagas in nutzbare Rohstoffe verwandeln, mehr dazu in unserem Artikel.

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