Kompakt - PYROLYSE - energie | wasser-praxis
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energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 PYROLYSE Potenziale und Anwendungsmöglichkeiten einer klimaschonenden Wasserstofferzeugung www.energie-wasser-praxis.de
PYROLYSE POTENZIALE UND ANWENDUNGS- MÖGLICHKEITEN EINER KLIMASCHONENDEN WASSERSTOFFERZEUGUNG
Herausgeber:
impressum
DVGW Deutscher Verein des
Gas- und Wasserfaches e. V. –
Technisch-wissenschaftlicher Verein
Josef-Wirmer-Straße 1–3
53123 Bonn
4 Wir müssen alle Optionen nutzen! Tel.: 0228 9188-5
Prof. Dr. Gerald Linke (DVGW-Vorstandvorsitzender) Fax: 0228 9188-990
E-Mail: info@dvgw.de
„Türkiser“ Wasserstoff aus Pyrolyse –
6 Internet: www.dvgw.de
was ist das das eigentlich? Verlag und Vertrieb:
wvgw Wirtschafts- und Verlags-
Zur Bewertung der THG-Emissionen von türkisem
8 gesellschaft Gas und Wasser mbH
Geschäftsführer: Stephan Maul, M.A.
Wasserstoff: Entscheidend ist, was vorne reingeht! Josef-Wirmer-Straße 3
Friedemann Mörs, Maximilian Heneka, Dr. Frank Graf 53123 Bonn
(alle: DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut), Tel.: 0228 9191-40
Fax: 0228 9191-498
Miriam Bäuerle & Jörn Benthin (beide: Gas- und Wärme-Institut Essen e. V.)
E-Mail: info@wvgw.de
Internet: www.wvgw.de
Wasserstoffherstellung aus methanhaltigen Gasen
10
ohne CO2-Emissionen Schriftleiter:
Prof. Dr. Gerald Linke
Dr.-Ing. Jörg Nitzsche, Alexandra Müller & Michael Kühn
(alle: DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg) Redaktion:
Marcel Pannes (verantw.),
Wasserstoff durch Pyrolyse – Grundstein für ein
12 Martin Schramm
Tel.: 0228 9191-451
dekarbonisiertes Energiesystem E-Mail: pannes@wvgw.de
Dr. Klaus Langemann (Wintershall Dea)
Mitwirkende an dieser Ausgabe:
14 Die gesamte Welt der Methanpyrolyse im Überblick Dr. Susanne Hinz, Dr. Stefanie Schwarz,
Robert Schellhase
16 Die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von Gezeichnete Artikel stellen die Ansicht des
Kohlenstoff aus der Pyrolyse von Methan Verfassers dar, nicht unbedingt die der
Schriftleitung und der Redaktion. Alle
Robert Obenaus-Emler (Montanuniversität Leoben) Rechte, auch die des Nachdrucks, des
auszugsweisen Nachdrucks, der fototech-
„Die Methanplasmalyse lässt sich bereits heute in
18 nischen Wiedergabe und der Übersetzung
alltagstaugliche Lösungen integrieren!“ liegen beim Verlag.
Im Gespräch mit Dr. Jens Hanke, Geschäftsführer der Graforce GmbH Gestaltung und Satz:
Angela Gösele (wvgw)
„Insellösungen auf Basis der Pyrolyse könnten sich in
20
Bildnachweise:
Bayern etablieren“ Seite 7: iStock.com/venimo, iStock.com/
Im Gespräch mit Dr. Gregor Neunzert, Leiter Gasbeteiligungen shoo_arts, ivector – stock.adobe.com,
der Stadtwerke München venimo – stock.adobe.com
Druck:
„Die Pyrolysetechnik ist eine zügig einsetzbare
22
Siebel Druck und Grafik
Brückentechnologie!“ Ein Unternehmen der Limberg-Druck GmbH
Im Gespräch mit Dr. Andreas Breuer, Leiter Wasserstoff der Westnetz GmbH
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022
inhalt 3
Wir müssen alle
Optionen nutzen!
Eine Einführung in die Perspektiven zur Transformation der Energieversorgung von Prof. Dr. Gerald Linke,
Vorstandsvorsitzender des DVGW e. V.
Quelle: DVGW
Deutschlands Energieversorgung soll unabhän-
gig, divers und klimaneutral sein – und das schon in
wenigen Jahren. Während die Klimaziele der Bundes-
regierung zügig erreicht werden sollen, um die Folgen
des Klimawandels zu minimieren, müssen parallel
geopolitische Risiken durch die Abhängigkeit von
Energieimporten aus wenigen Bezugsländern berück-
sichtigt und die Energieversorgung auf eine breite
Basis gestellt werden.
Der daraus resultierende notwendige Umbau des Mit Wasserstoff zu einer klimaneutralen
Energiesystems kann nur funktionieren, wenn Gesellschaft
alle relevanten Technologien und Optionen zum Eins sollten wir bedenken: Der Großteil des End-
Einsatz kommen, die die Treibhausgas-Emissio- energieverbrauchs in Deutschland wird derzeit
nen zügig senken – und dies zu tragbaren Kosten von Molekülen – also Erdgas, Mineralöl oder
und Risiken. Dazu gehören neben dem Ausbau Kohle – gedeckt und lediglich ein Fünftel durch
erneuerbarer Energien und der Verbreitung von Strom, auch wenn dieser mittlerweile zur Hälfte
elektrischen Lösungen auch der Hochlauf klima- erneuerbar ist. Das bedeutet: In den kommenden
freundlicher Gase: Denn nur so lassen sich die zwei Jahrzehnten müssen fossile zügig durch
enormen Energiemengen ersetzen, die heute klimafreundliche Moleküle ersetzt werden. Gas-
noch aus fossilen Rohstoffen erzeugt werden. förmige Energieträger sind somit entscheidend
für das Erreichen der Klimaneutralität und für
eine nachhaltig gesicherte Energieversorgung.
Insbesondere mit Wasserstoff (H 2 ) steht ein
Energieträger bereit, der den Weg hin zu einer
klimaneutralen Gesellschaft in allen Bereichen
ebnen kann – in Industrieprozessen, in der Mo-
bilität, bei der zentralen und dezentralen Wär-
meversorgung von Haushalten und als Speicher-
medium. Wasserstoff bildet damit einen
elementaren Baustein der Energiewende: Er ver-
4 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022
brennt nicht nur emissionsfrei, sondern lässt Kohlenstoff zuvor von Pflanzen über die Fotosyn-
sich auch über verschiedene Wege erzeugen. these der Atmosphäre entzogen wurde und im
Mehrere Verfahren stehen dafür schon zur Ver- Rahmen des Verfahrens abgetrennt wird, kann
fügung, die je nach Ausgangsmaterial und Art so eine CO2 -Senke geschaffen werden.
der verwendeten Energie nur einen sehr kleinen
bzw. sogar einen negativen CO 2 -Fußabdruck Letztendlich sollte aber nicht die Farbe darüber
hinterlassen. entscheiden, ob und wie welcher Wasserstoff ver-
wendet wird. Vielmehr sollten die Technologien
Aktuell sind insbesondere zwei Methoden der und Verfahren genutzt werden, mit denen der
Wasserstofferzeugung üblich: die Dampfrefor- Treibhausgasausstoß am schnellsten und effektivs-
mierung und die Elektrolyse. Sogenannter grauer ten gesenkt werden kann. Dabei hilft ein Blick auf
Wasserstoff wird über die Dampfreformierung den CO2 -Fußabdruck der unterschiedlichen Ener-
aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl oder Erdgas gieträger. Insbesondere der mithilfe der Pyrolyse
gewonnen. Der Nachteil dabei: Das bei diesem produzierte türkise Wasserstoff bietet große Chan-
Verfahren entstehende CO2 gelangt ungehindert cen, da sein Fußabdruck deutlich kleiner ist als
in die Atmosphäre. Im Unterschied dazu entsteht der von Erdgas oder
blauer Wasserstoff zwar auch durch Dampfrefor- blauem Wasserstoff.
mierung, das entstehende CO2 wird jedoch direkt Das Engler-Bunte-Ins- In den nächsten beiden
abgeschieden und gespeichert (engl.: Carbon titut in Karlsruhe hat
Jahrzehnten müssen wir
Capture and Storage, kurz: CCS) und gelangt so- dazu umfangreiche
mit nicht in die Atmosphäre. Wasserstoff, der via Forschungen durchge- fossile durch klimafreundliche
Elektrolyse hergestellt wird, gilt als „grün“. Dabei führt – einen Auszug Moleküle ersetzen.
wird erneuerbarer Strom genutzt, um Wasser der Ergebnisse lesen Sie
(H2 O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2 ) und auf Seite 8. Dass die Pyrolysetechnik bereits heute
Sauerstoff (O) zu spalten. im Einsatz ist und auch zukünftig zu einer Dekar-
bonisierung der Energieversorgung beitragen
Die Pyrolyse: Vielversprechende Technologie zur kann, zeigt außerdem nicht nur das Beispiel des
Dekarbonisierung der Energieversorgung Unternehmens Graforce aus einem Berliner Hotel
Ein weiteres vielversprechendes Verfahren ist die (Seite 18). Auch der perspektivische Einsatz der
Pyrolyse, deren Potenziale wir in dieser ewp-kom- Pyrolyse bei den Stadtwerken München (Seite 20)
pakt-Ausgabe umfassend beleuchten. Beim Py- und der Westnetz GmbH (Seite 22) demonstriert
rolyseverfahren wird Methan (CH4 ) durch sehr ihre vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten und
hohe Temperaturen unter Sauerstoffabschluss Optionen.
direkt in Wasserstoff und festen Kohlenstoff ge-
trennt – letzterer ist deutlich einfacher zu hand- All die skizzierten Potenziale gilt es nun zu nut-
haben als das bei der Dampfreformierung entste- zen und schnellstmöglich verbindliche Rahmen-
hende, gasförmige CO2 . Er kann in seiner festen bedingungen dafür zu entwickeln. Kontrapro-
Form in diversen Produktionsprozessen verwen- duktiv – auch im Interesse der Verbraucherinnen
det oder auch deponiert werden – eine Übersicht und Verbraucher in Deutschland mit Blick auf die
über die Möglichkeiten bietet der Beitrag von Sozialverträglichkeit und Versorgungssicherheit
Robert Obenaus-Emler auf Seite 16 in dieser – wäre es hingegen, eine reine Elektrifizierung
Ausgabe. des Energiesektors anzustreben. Denn eine mas-
sive Reduktion von Gasanwendungen zugunsten
Ein Sonderfall ist „grüner“ Wasserstoff aus Biogas. von Strom ist technisch illusorisch und volks-
Genau wie Methan aus Erdgas, bietet auch die wirtschaftlich verfehlt. Die Dekarbonisierung der
Pyrolyse von Biomethan mit einer anschließen- bestehenden Energieversorgung gelingt nur
den Lagerung des festen Kohlenstoffs eine Mög- durch den prominenten Einsatz von klimaneu-
lichkeit, klimafreundlichen Wasserstoff herzu- tralen Gasen und mit der Pyrolysetechnik als eine
stellen. Da der im Biomethan enthaltene der vielversprechendsten Technologien. ■
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 5
„Türkiser“ Wasserstoff
aus Pyrolyse – was
ist das eigentlich?
Der Begriff Pyrolyse setzt sich aus den altgriechischen Worten
Pyr für Feuer und Lysis für Lösung zusammen. Er beschreibt die thermochemische Spaltung
organischer Verbindungen unter Sauerstoffausschluss. Die Technik bietet eine Reihe von Anwen-
dungsmöglichkeiten und ist auch ökologisch und wirtschaftlich attraktiv.
Der Schutz des Klimas ist eine der zentralen He- und fester Kohlenstoff (C) aufgespalten wird. Der
rausforderung unserer Zeit. Weil der Ausstoß von Vorteil dieser Technologie ist, dass beim Produk-
Kohlendioxid bei der Stromerzeugung, dem Hei- tionsprozess keine klimaschädlichen CO2 -Emissi-
zen von Gebäuden, im Verkehr und bei industri- onen entstehen. Der stattdessen anfallende feste
ellen Prozessen entscheidend zur Erderwärmung Kohlenstoff kann in zahlreichen Industrieberei-
beiträgt, benötigen wir eine umfassende Energie- chen eingesetzt werden. Mehr noch: Wird für die
wende. Dies kann auf zwei Wegen geschehen: Methan-Pyrolyse Biogas bzw. Biomethan einge-
Fossile Energieträger könnten theoretisch zwar setzt und der Umgebung so CO2 entzogen, kommt
vollständig durch elektrische Energie ersetzt wer- es sogar zu einer negativen CO2 -Bilanz.
den – doch nicht alle Bereiche lassen sich sinnvoll
elektrifizieren. In solchen Fällen kommt Wasser- Die beiden Produkte der Methan-Pyrolyse – Was-
stoff ins Spiel: Mit ihm lässt sich synthetischer serstoff und Kohlenstoff – lassen sich in allen Sek-
Kraftstoff für unsere Autos herstellen, in Brenn- toren einsetzen. Für den bei der Methan-Pyrolyse
stoffzellen Strom erzeugen oder unser Wohnzim- entstehenden Wasserstoff gibt es eine ganze Reihe
mer beheizen. Das Problem dabei: Wasserstoff von Anwendungsmöglichkeiten, die sich über alle
tritt in der Regel gebunden, also als Bestandteil Sektoren erstrecken: Denkbar ist eine Beimischung
größerer organischer Verbindungen auf. Um ihn in das Gasnetz, wo der Wasserstoff in der Folge
sich als Energieträger nutzbar zu machen, muss beispielsweise zur Dekarbonisierung des Wärme-
er zuerst durch energieintensive chemische Ver- marktes beitragen kann. Darüber hinaus kann er
fahren gelöst werden. Dazu gibt es unterschied- auch in Heizkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopp-
liche Verfahren, darunter auch die Pyrolyse. lung genutzt werden, um Energie zu erzeugen; die
dabei ausgekoppelte Wärme lässt sich anschlie-
Der Begriff Pyrolyse setzt sich aus den altgriechi- ßend in der Nahwärmeversorgung einsetzen. Eine
schen Worten Pyr für Feuer und Lysis für Lösung mögliche Anwendung bietet sich zudem im Mo-
zusammen. Er beschreibt die thermochemische bilitätssektor an, wo Wasserstoff im Schienen- und
Spaltung organischer Verbindungen unter Sauer- Schiffsverkehr, aber auch bei Straßennutzfahrzeu-
stoffausschluss – das heißt: es erfolgt keine Ver- gen einsetzbar ist.
brennung! Das bisher bekannteste Pyrolyseverfah-
ren ist die Methan-Pyrolyse, bei der Methan (CH4) Für den Industriesektor ist die Methan-Pyrolyse
als Hauptbestandteil von Erdgas in einem Hocht- gleich in doppelter Hinsicht interessant. So kann
emperaturreaktor in die Produkte Wasserstoff (H2) der klimaneutrale Wasserstoff dazu beitragen,
6 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022
CO2 -intensive Bereiche wie die Stahl- oder Ze- CO2 -Emissionen an. Gleichzeitig ist die Techno-
mentherstellung entscheidend zu dekarbonisie- logie mit einem spezifischen Energiebedarf von
ren. Der feste Kohlenstoff – auch unter dem Na- 37,8 kJ/mol H 2 wesentlich effizienter als die
men Graphit bekannt – wiederum kommt in Dampfreformierung (63,3 kJ/mol H2 ) oder gar die
zahlreichen Branchen zur Anwendung und wird Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse (285,9
u. a. bei der Stahlproduktion, in der Batteriefer- kJ/mol H 2 ).
tigung sowie in der Halbleiter- und Solarindustrie
eingesetzt. Ein weiterer positiver Nebeneffekt: Neu: die Elektronenstrahl-Plasmalyse
Der bei der Methan-Pyrolyse entstehende (syn- Im Mai 2021 haben Wissenschaftlerinnen und
thetische) Kohlenstoff kann perspektivisch den Wissenschaftler der Technischen Universität
Abbau von natürlich vorkommendem Kohlen- München die Elektronenstrahl-Plasmalyse vor-
stoff ersetzen und somit weitere CO2 -Emissionen gestellt. Damit lässt sich Wasserstoff deutlich
vermeiden. Nach zusätzlichen industriellen effizienter und umweltfreundlicher produzieren,
Schritten kann aus Kohlenstoff-Nanoröhren als dies mit bisherigen Methoden der Methan-Py-
(CNTs) auch Graphen hergestellt werden. Gra- rolyse möglich war. Neu ist: Bei diesem Konzept
phen als relativ neuartiges Material ist für seine zur Plasmapyrolyse werden die Methanmoleküle
hohe Festigkeit und Leitfähigkeit bekannt und mithilfe beschleunigter Elektronen getrennt. Der
wird zunehmend für Anwendungen in der Luft- Wirkungsgrad ist also im Vergleich zu anderen
und Raumfahrt, im Automotive-Bereich, bei Pyrolyseverfahren noch etwas besser.
Windkraftanlagen und im Bauwesen genutzt.
Auch aus wirtschaftlicher Sicht sind die Pyroly-
Die Methan-Pyrolyse vereint darüber hinaus ei- severfahren attraktiv. Mit den aktuell prognosti-
nige Vorteile in sich: So fallen – im Vergleich zur zierten Wasserstoff-Gestehungskosten ergeben
„klassischen“ Erzeugung von Wasserstoff aus Erd- sich bei der Methanpyrolyse spürbare Kostenvor-
gas mittels Dampfreformierung – keinerlei teile gegenüber der Elektrolyse. ■
Quelle: wvgw mbH
H² Mobilität, Industrie,
klimafreundliches Heizen
Fotovoltaik
Windkraft
C
Kohlenstoffpulver für: Pigmente,
Blasensäulenreaktor Leichtbau, Polymere, HighTech
geschmolzenes Zinn (> 1.000 °C)
Erdgas, Biogas CH4 Wenn die Gasbläschen zerplatzen, wird Wasserstoff
freigesetzt. Der feste Kohlenstoff setzt sich als Pulver ab.
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 7
Zur Bewertung der THG-Emissionen
von türkisem Wasserstoff:
Entscheidend ist, was vorne reingeht!
von: Friedemann Mörs, Maximilian Heneka, Dr. Frank Graf (alle: DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut),
Miriam Bäuerle & Jörn Benthin (beide: Gas- und Wärme-Institut Essen e. V.)
Um das Treibhausgas-Minderungs- von türkisem H2, sondern auch die an die EU-Kommission übermittelt
potenzial von türkisem Wasserstoff Vorkettenemissionen der für den Py- und erteilt Auskunft über die natio-
(H2 ) zu bewerten, müssen die Treib- rolyseprozess nötigen elektrischen nale Energie- und Klimapolitik für
hausgas-Emissionen (THG) der zu- Energie. Darüber hinaus müssen einen Zeitraum von zehn Jahren.
grundeliegenden Wertschöpfungs- auch die direkten Emissionen durch Der aktuelle deutsche NECP wurde
kette untersucht werden, also auch die Nutzung des Erdgases in der Pro- am 10. Juni 2020 an die EU-Kom-
die sogenannten Vorkettenemissio- duktionsanlage berücksichtigt wer- mission übermittelt [4]. Die nach
nen. Als Vorkettenemissionen be- den. Demgegenüber können die dem Urteil des Bundesverfassungs-
zeichnet man solche, die bei der THG-Emissionen, die aus dem Bau gerichts im August 2021 revidierten
Produktion, der Aufbereitung, dem der Produktionsanlagen resultieren, deutschen Klimaziele (Treibhaus-
Transport, der Speicherung, der Ver- vernachlässigt werden, da solche An- gas-Neutralität bis 2045) werden in
teilung von Erdgas und der Bereit- lagen über lange Zeiträume bei den Strommixszenarien demzufolge
stellung von elektrischer Energie gleichzeitig hohen Erdgasumsätzen nicht berücksichtigt. Dementspre-
entstehen. betrieben werden [2]. chend ist der hier verwendete
THG-Fußabdruck des deutschen
Vor diesem Hintergrund wurden im Für den deutschen Strommix wur- Strommix für die Jahre 2030 und
DVGW-Forschungsprojekt „Road- den die in Tabelle 1 gezeigten Vor- 2045 als konservativ zu betrachten.
map Gas 2050“ die Bereitstellung kettenemissionen angenommen.
von türkisem H2 mit einer Kapazität Für die Jahre 2030 und 2045 wurden Für den Erdgasbezug wurden die
von 100.000 m³/h in Deutschland Emissionsfaktoren der Software GE- mittleren Vorkettenemissionen für
analysiert, eine detaillierte Be- MIS (Version 5.0) [3] verwendet, die den deutschen Erdgasmix eingesetzt
schreibung der Projektdaten finden auf dem Zielszenario des Nationalen (24 g CO 2 eq/kWh (LHV)). Dieser
Sie unter [1]. Doch nicht nur die Vor- Energie- und Klimaplans (NECP) der Wert beinhaltet sowohl CO 2 - als
kettenemissionen des eingesetzten Bundesregierung basieren. Der auch Methanemissionen im Bereich
Erdgases haben entscheidende Aus- NECP wird von den EU-Mitglieds- der Förderung, der Verarbeitung
wirkungen auf die THG-Emissionen statten in regelmäßigen Abständen und des Transports nach Deutsch-
land sowie der Verteilung in der
Bundesrepublik. Die Vorkettenemis-
Quelle: die Autoren
Deutschland Deutschland Deutschland
2020 2030 2045 (2050) sionen für Biogas basieren auf Well-
Strommix g CO2eq//kWh (el) [9–11] 352 261 30 to-Tank-Analysen des Joint Research
Vorkettenemissionen g CO2eq/kWh (LHV) Centre (JRC) [5]. Eine Reduktion der
Erdgas Mittelwert Deutschland 24 [12]
Vorkettenemissionen von Biogas aus
Energiepflanzen um bis zu 40 Pro-
Biomethan aus Mais 86 [5, 13]
zent bis 2040 wurde in dieser Studie
Biomethan aus Reststoffen 25 [5, 13]
nicht berücksichtigt [6].
8 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022
Quelle: die Autoren
onen von türkisem H2 den konkre-
Massen- und
Erdgas Energieströme ten Standort bzw. die Vorkettene-
1,7 kWh Erdgas
Kohlenstoff (C) (bezogen auf den missionen des eingesetzten Erdgases
Elektr. Energie
Heizwert, LHV) und zu berücksichtigen; dies zeigt auch
Förderung, 41 g CO2-eq/kWh H2 THG-Emissionen der
„türkisfarbener“ H2 Transport die Best-Case-Betrachtung.
Wasserstoffherstel-
CO2-Äquivalente
lung durch
0,3 kWh Strom Erdgaspyrolyse 1 kWh H2
Erdgaspyrolyse für Bis 2030 soll nach den Plänen der
das Bezugsjahr 2020 EU-Kommission die Methan-Emis-
90 g C/kWh H2
sionen in allen Sektoren um 30 Pro-
102 g CO2-eq/kWh H2 3 g CO2-eq/kWh H2
zent gesenkt werden [8]. Unter der
Annahme, dass die Vorkettenemis-
sionen ebenfalls um bis zu 30 Pro-
zent sinken, ist dementsprechend
Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse zur kWh (LHV) in 2020 auf dann 53 g eine weitere Redu kt ion der
Analyse der THG-Emissionen von CO2eq/kWh (LHV) in 2045 (2050). THG-Emissionen von türkisem H 2
türkisem H2 für eine Produktions- Dies entspricht einer Reduktion der möglich. Beim Einsatz von Biogas
anlage in Deutschland. Für das Be- THG-Emissionen gegen über dem aus Mais (Energiepflanzen) oder
zugsjahr 2020 entfallen demnach Einsatz von grauem Wasserstoff aus Bioabfall sind trotz der vergleichs-
ca. zwei Drittel der THG-Emissio- der Dampfreformierung (ca. 310 g weise hohen Vorkettenemissionen
nen auf den Bezug von Netzstrom CO2eq/kWh) oder der Verbrennung sogar negative THG-Emissionen für
und ca. ein Drittel auf die Vorkette- von in Deutschland verwendetem türkisen H2 möglich, wobei eine be-
nemissionen des Erdgases. Die di- Erdgas (ca. 222 g CO2eq/kWh (LHV). grenzte Biomasseverfügbarkeit be-
rekten Emissionen haben in den rücksichtig werden muss. Warum
untersuchten Konstellationen nur Entscheidend für die Betrachtung ist das so? Beim Biomasseanbau
einen untergeordneten Effekt. ist, dass sich die THG-Emissionen wird Kohlenstoff in Form von CO2
Durch den erwarteten Ausbau der von türkisem H2 stark sensitiv zum aus der Atmosphäre entnommen.
erneuerbaren Energien sinken die eingesetzten Erdgas bzw. dessen Nach dem Pyrolyseprozess kann der
Vorkettenemissionen des deutschen Vorkettenemissionen [7] verhalten. Kohlenstoff in fester Form gelagert
Strommixes bis 2045 (2050) auf 30 g Mehr noch: Der Einfluss dieser Erd- werden.
CO2 eq//KWh(el) (Tab. 1). Das be- gas-Vorkettenemissionen wird umso
deutet: Aufgrund des großen Ein- entscheidender, je geringer die Vor- Die Analysen zeigen, dass über den
flusses der Strom-Vorkettenemissio- kettenemissionen des eingesetzten Weg der Erdgaspy rolyse die
nen sinken die THG-Emissionen Stroms sind. Daher ist es notwendig, THG-Emissionen von Wasserstoff
von türkisem H2 von 146 g CO2eq/ für die Bewertung der THG-Emissi- gegenüber dem Stand der Technik
reduziert werden können. Entschei-
Quelle: die Autoren
det sind die standortabhängigen
200
146 159 Vorkettenemissionen des eingesetz-
119
ten Erdgases und der elektrischen
THG-Emission blauer Wasserstoff
100 53 54
40
in g CO2 eq/kWh H2 (LHV)
Energie sowie die Lagerung des er-
0
zeugten festen Kohlenstoffs, um
-100 CO² aus Luft aufgenommen -160 THG-Emissionen aus dessen Nut-
Direkte Emissionen -182
-200 zung zu vermeiden. ■
Vorkette Strom
-272
Vorketten Erdgas -287
-300 Bilanz Biomethan
INFORMATION
-341 -341
-400
Deutschland Deutschland Deutschland Deutschland D Biomethan D Biomethan
Mittelwert Mittelwert Mittelwert Best-Case Mais Bioabfall
2020 2030 2045 (2050) 2045 (2050) 2045 (2050) 2045 (2050) Das vollständige Literaturverzeich-
nis zum Beitrag finden Sie unter
www.energie-wasser-praxis.de.
THG-Emission von türkisen Wasserstoff für unterschiedliche Bezugsjahre, für eine Reduktion der Methanvorket-
ten-Emissionen um 30 Prozent (Best-Case) und für Biogas aus Mais und Bioabfall in 2045 (2050)
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 9
Wasserstoffherstellung
aus methanhaltigen Gasen
ohne CO2-Emissionen
von: Dr.-Ing. Jörg Nitzsche, Alexandra Müller & Michael Kühn (alle: DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg)
Die Herstellung von Wasserstoff ohne oder mit nur sehr geringen THG-Emissionen hat
großes Zukunftspotenzial. Die Methanpyrolyse als mögliches Herstellungsverfahren ist technisch
jedoch herausfordernd. Daher entwickelt die DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
einen innovativen Lösungsansatz, der die prinzipbedingten Nachteile der Methanpyrolyse vermei-
det, indem er den Gesamtprozess in zwei Prozessschritte aufteilt.
Während der weltweite H2 -Bedarf kontinuierlich Um diese Nachteile zu umgehen, entwickelt das
wächst, wird der Großteil des Wasserstoffs aus DBI ein neuartiges Verfahren, bei dem eine Tren-
fossilen Energieträgern gewonnen, hauptsächlich nung der Schritte „Wasserstofferzeugung“ und
durch die Reformierung von Kohlenwasserstoffen „Kohlenstoffablagerung“ in zwei Reaktionen er-
(wie z. B. Erdgas) oder die Vergasung von Kohle folgt: Erstens die trockene Reformierung (Reakti-
und Schweröl. Dabei werden größere Mengen on (1)), bei der die Umsetzung des Methans mit
CO2 emittiert, die zur Emissionsvermeidung per CO2 an geeigneten Katalysatoren erfolgt und auch
Carbon Capture and Sto- Biogas (ohne vorherige Abtrennung des CO2 und
Durch die Aufteilung auf rage (CCS) gemindert wer- Aufbereitung zu Biomethan) direkt verwendet
den können. Im Vergleich werden kann. Als zweiter Teilschritt wird dann
zwei Prozessschritte können dazu ist das Nebenpro- die Boudouard-Reaktion (Reaktion (2)) in einem
die Nachteile der Pyrolyse dukt der Methanpyrolyse, Wanderbettreaktor durchgeführt. Der auf dem
fester Kohlenstoff (Reakti- Bettmaterial abgeschiedene Kohlenstoff kann ab-
vermieden werden. on (3)), leichter abzuschei- geführt und gespeichert, genutzt oder partiell als
den, zu transportieren Bettmaterial wiederverwendet werden. Dadurch
und zu lagern sowie vielfältig nutzbar. Herausfor- lassen sich sowohl eine mögliche Katalysatorde-
dernd ist jedoch der Energiebedarf der Reaktion aktivierung als auch störende Kohlenstoffablage-
bei hohen Temperaturen (T > 1.000 °C) in Ver- rungen an Reaktorwänden vermeiden. Als Ge-
bindung mit einer unkontrollierten Ablagerung samtreaktion des Prozesses wird schließlich die
von festem Kohlenstoff auf Reaktorwänden und Methanpyrolyse erzielt (Reaktion (3)).
Katalysatoren sowie die mögliche Bildung uner-
wünschter gasförmiger Nebenprodukte.
(1)
(2)
(3)
10 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022> 99 Prozent), bei höheren Tempe-
Quelle: DBI
C02-Recycle raturen verlagert sich das Gleichge-
Erd-/Biogas Wasserstoffabtrennung H2
wicht zunehmend zu den Aus-
gangsstoffen. Die Reaktion wird
Kohlenstoff
somit bei möglichst geringer Tem-
peratur durchgeführt. Das Auftre-
1. Reaktionsstufe 2. Reaktionsstufe
trockene Boudouard-Reaktion
ten von Nebenreaktionen, die die
Kohlenstoffkreislauf
Reformierung 2 C0 C02 + C Wasserstoffausbeute schmälern, ist
CH4 + C02 2 C0 + 2 H2
dabei vor allem durch Wassergas-
und Methanisierungsreaktionen
möglich. Es gilt also, diese durch die
Wärmerückgewinnung
Prozessgestaltung oder kinetische
Hemmung zu vermeiden.
Schematische Darstellung des angestrebten Prozesses in zwei Teilschritten Prozessaufbau – Verschaltung
der Teilschritte
Prozessaufbau – Schritt 1 turen sind hier kongruent mit hohen Beide Prozessteilschritte stellen im
(Trockene Reformierung) Umsätzen in der Reformierung und Vergleich zur Pyrolyse signifikant
Im ersten Teilschritt, der trockenen niedrigem Risiko zur Kohlenstoffbil- geringere Anforderungen an die
Reformierung (Reaktion (1)), steht dung, womit grundsätzlich gleiche technische Umsetzung, werden je-
ein hoher Methanumsatz zu Wasser- Anforderungen an die Prozessfüh- doch auf unterschiedlichen Tempe-
stoff und Kohlenoxiden sowie die rung gegeben sind. raturniveaus betrieben. Um den
Vermeidung von Kohlenstoffablage- Gesamtenergiebedarf zu verrin-
rungen an der Katalysatoroberfläche Prozessaufbau – Schritt 2 gern, ist eine wärmetechnische Ver-
im Vordergrund. Bei der Betrachtung (Boudouard-Reaktor) schaltung beider Prozessschritte
der Thermodynamik wird ersicht- Im zweiten Reaktionsschritt, der notwendig. Zusätzlich soll durch
lich, dass neben hohen Reaktortem- Boudouard-Reaktion, steht die ge- die bevorzugte Verwendung von
peraturen und niedrigen Drücken zielte Kohlenstoffablagerung in ei- Kohlenstoff als Wanderbettmateri-
auch ein CO2-Überschuss im Edukt- nem Wanderbett im Vordergrund. al eine prozessinterne Kreislauffüh-
strom förderlich ist, um eine Verko- Der abgeschiedene Kohlenstoff rung geschaffen werden, die den
kung zu vermeiden. Bei 800 °C kann weiterverwertet oder eingela- Betrieb ohne zusätzliche Materiali-
Reaktionstemperatur ist bei atmo- gert werden, während gebildetes en ermöglicht. Die Entwicklung des
sphärischem Druck thermodyna- CO 2 zu Schritt 1 rezykliert wird. entsprechenden Verfahrens ebenso
misch nur mit CO2 :CH4 > 1,2 koh- Thermodynamisch läuft die Bou- wie die Untersuchung der beiden
lenstofffreies Gebiet erreichbar. douard-Reaktion bis 500 °C nahezu Prozessstufen sind Schwerpunkte
Möglichst hohe Reaktionstempera- vollständig ab (Kohlenstoffausbeute eines laufenden F&E-Vorhabens,
das durch das Bundesministerium
Quelle: DBI
für Wirtschaft und Klimaschutz ge-
Darstellung des
1 4
fördert und durch den DVGW mit
0,9 3,6 erreichbaren
0,8 3,2 Methanumsatzes und Mitteln aus dem Innovationspro-
2,8
0,7
des zur Vermeidung gramm Wasserstoff finanziell un-
CO² / CH4-Verhältnis
0,6 2,4
Methanumsatz
0,5 2
der Kohlenstoffbil- terstützt wird. ■
0,4 1,6 dung nötigen
0,3 1,2 Mindestverhältnisses
0,2 0,8 CO2 /CH4 in der
0,1 0,4
1. Reaktionsstufe
0 0
600 650 700 750 800 850 900 950 1.000 (trockene Unterstützt durch:
Temperatur / ° C Reformierung)
Methanumsatz (CO² / CH4 = 1) Methanumsatz (CO² / CH4 = 1.2)
Mindestverhältnis CO² / CH4
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 11Wasserstoff durch Pyrolyse –
Grundstein für ein dekarbonisiertes
Energiesystem
von: Dr. Klaus Langemann (Wintershall Dea)
Wenn wir die globalen Klimaziele erreichen wollen, müssen wir die Industrie dekarbonisie-
ren. Wasserstoff kann dabei eine Schlüsselrolle einnehmen. Aber der Ausbau der erneuerbaren
Energien in Deutschland kommt nicht mit dem nötigen Schwung voran. Bisher gibt es noch zu
wenig grünen Strom, um grünen Wasserstoff in großen Mengen herzustellen und verfügbar zu
machen. Und da grüner Wasserstoff von der Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien abhängig
ist, wird die Herstellung großer Mengen noch eine Weile auf sich warten lassen.
Daher ist ein technologieoffener Ansatz wichtig, Im Fokus der Nationalen Wasserstoffstrategie
der alle Formen von Wasserstoff – auch Wasser- der Bundesregierung steht vor allem grüner Was-
stoff aus Erdgas – mit einschließt. Auch wenn die serstoff, der mittels Elektrolyse hergestellt wird.
Preisentwicklung sowohl von Strom als auch von Unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Ener-
Erdgas aufgrund der globalen Entwicklungen gien wird dabei Wasser in Sauerstoff und Was-
heute nicht absehbar ist, ist aber der Bedarf an serstoff aufgespalten, allerdings mit großem
Wasserstoff absehbar. Wintershall Dea arbeitet Energieaufwand. Bei der Elektrolyse ist der Ener-
mit seinen Projekten daran, so schnell wie mög- gieverbrauch rund fünf Mal höher als bei der
lich Wasserstoff zu produzieren: energieeffizient, Pyrolyse.
möglichst kostengünstig und klimafreundlich.
Bei dem Prozess der Methanpyrolyse wird Erdgas
unter Einsatz thermischer oder elektrischer Ener-
In den nächsten drei Jahren gie in seine Bestandteile Wasserstoff und festen
Kohlenstoff aufgespalten. Der sogenannte türki-
soll eine Pilot-Anlage entstehen, se Wasserstoff, der hier entsteht, ist vielverspre-
mit der Wasserstoff im industriellen chend: Genau wie grüner Wasserstoff kann er
durch den Einsatz von Strom aus erneuerbaren
Maßstab hergestellt werden kann. Energien als dekarbonisierter Energieträger ge-
nutzt werden, denn es entstehen keine CO2 -Emis-
sionen. Der feste Kohlenstoff, der als Nebenpro-
dukt entsteht, ist vielseitig und wird in
unterschiedlichen Bereichen gebraucht: für Par-
tikel in Tinten und Farben oder auch zur Herstel-
lung von Kunststoff und Gummi. Auch lässt er
sich im Straßenbau einsetzen, in der Auto- sowie
in der Stahl- oder Zementindustrie.
12 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022Gemeinsame Forschung zum industriellen
Maßstab der Methanpyrolyse
Wintershall Dea hat das Potenzial der Methan-
pyrolyse erkannt: Gemeinsam mit dem Karlsru- Wintershall Dea hat im letzten Jahr gemeinsam
her Institut für Technologie (KIT) arbeitet das mit der VNG AG in HiiROC investiert, ein eu-
Unternehmen seit 2019 im Rahmen eines For- ropäisches Start-up mit Sitz im englischen Hull.
schungsprojekts daran, für die Flüssigmetall-Py- HiiROC hat ein modulares, skalierbares System
rolyse die beste Lösung zu finden. Denn noch entwickelt, das genau dort Wasserstoff produ-
lässt sich türkiser Wasserstoff nicht in industri- zieren kann, wo er gebraucht wird. Die kleinen
ellem Maßstab herstellen. Die Optimierung von standardisierten Einheiten können flexibel ein-
Reaktormaterialien, Reaktionskinetik durch Va- gesetzt werden, als kleinste Einheit neben
riation der Gasdurchflussraten sowie Konzepte Wohnhäusern oder als industrielle Einheiten
zur Kohlenstoff-Ausschleusung stehen derzeit neben Fabriken oder Flughäfen. Damit lassen
im Mittelpunkt der Arbeiten. Das Forschungs- sich Transport- und Lagerkosten einsparen.
projekt ist auf drei Jahre angelegt und hat das HiiROC arbeitet mit der sogenannten thermi-
Ziel, die Grundlagen für eine Pilotanlage zu schen Plasma-Pyrolyse, bei der in einem Gas-
entwickeln, die Wasserstoff in industriellem plasma die Spaltung des Erdgases in Wasserstoff
Maßstab herstellen kann. und festen Kohlenstoff erfolgt. Die hohe Ener-
gieeffizienz sowie das Potenzial für negative
Modular, skalierbar, dezentral: Pilotherstellung CO 2 -Emissionen bei Einsatz von Biomethan als
von türkisem Wasserstoff Ausgangsmaterial sprechen für diese Technolo-
Eine weitere Pilotanlage soll im nächsten Jahr den gie. Gemeinsam mit der VNG AG arbeitet Win-
ersten Wasserstoff auf Erdgasbasis produzieren. tershall Dea daran, die Pilotanlage 2023 an den
Sie wäre eine der ersten Anlagen ihrer Art in Start zu bringen. Bis zu 400 kg Wasserstoff am
Deutschland, die klimafreundlicheren türkisen Tag sollen so entstehen, also bis zu 5 Gigawatt-
Wasserstoff herstellt. stunden pro Jahr. ■
Quelle: Wintershall Dea
Überblick über die verschiedenen Komponenten der Erdgas-zu-Wasserstoff-Prozesskette
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 13Die gesamte Welt der Methanpyrolyse
Bei der Methanpyrolyse wird Methan (CH4 )
Quelle: DVGW
in Wasserstoff (H 2 ) und festen Kohlenstoff
(C) aufgespalten (1). Die Besonderheit des
Verfahrens ist, dass der gesamte Prozess unter
Ausschluss von Sauerstoff stattfindet: Im Ge-
gensatz zur Dampfreformierung entsteht da-
durch kein CO2, sondern der anfallende Koh-
lenstoff liegt in fester Form vor. Als
Ausgangsmaterial für die Pyrolyse können
3
sowohl Erdgas (2) als auch Methan aus bio-
genen Quellen (wie Biogas, Deponie- und/
oder Grubengasen) (3) genutzt werden. Die
für die Methanpyrolyse benötigte Energie
wird aus erneuerbaren Quellen (4) bereitge-
stellt. Für den bei der Methanpyrolyse entste-
henden Wasserstoff gibt es eine ganze Reihe
von Anwendungsmöglichkeiten, die sich
über alle Sektoren erstrecken: Denkbar ist
eine Beimischung in das Gasnetz (5), wo der
Wasserstoff in der Folge beispielsweise zur
Dekarbonisierung des Wärmemarktes beitra-
gen kann. Darüber hinaus kann der Wasser-
stoff auch in Heizkraftwerken mit Kraft-Wär-
1
me-Kopplung (6) zur Gewinnung von
Energie genutzt werden; die dabei ausgekop-
pelte Wärme lässt sich anschließend in der
Nahwärmeversorgung (7) einsetzen. Eine
mögliche Anwendung bietet sich zudem im
Mobilitätssektor an, wo Wasserstoff im Schie-
nen- und Schiffsverkehr, aber auch bei Stra-
ßennutzfahrzeugen einsetzbar ist. Für den
Industriesektor (8) ist die Methanpyrolyse
gleich in doppelter Hinsicht interessant. So
kann der klimaneutrale Wasserstoff dazu bei-
tragen, CO2 -intensive Bereiche wie die Stahl-
oder Zementherstellung entschei-
dend zu dekarbonisieren. Der feste
Kohlenstoff – auch unter dem Na-
men Graphit bekannt – wiederum
5
kommt u. a. bei der Stahlprodukti-
H
on, in der Batteriefertigung sowie
in der Halbleiter- und Solarindustrie
²
zum Einsatz. ■
14 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022im Überblick
2
4
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6
7
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 15Die vielfältigen Verwendungs-
möglichkeiten von Kohlenstoff
aus der Pyrolyse von Methan
von: Robert Obenaus-Emler (Montanuniversität Leoben)
Quelle: Montanuniversität Leoben
Im Rahmen der Methan-Pyrolyse entsteht neben reinem
Wasserstoff auch fester Kohlenstoff. Dieser kann je nach
vorliegender Modifikation und Reinheit in unterschiedlichen
Bereichen eingesetzt und verwendet werden - die Möglich-
keiten dafür sind vielfältig.
CO2 -freier bzw. mit geringem CO2 -Fußabdruck Da bei der Methanpyrolyse fester Kohlenstoff als
hergestellter Wasserstoff wird in einem zukünfti- Nebenprodukt erzeugt wird, ist der produzierte
gen Energiesystem, das ausschließlich auf erneu- Wasserstoff CO2 -frei. Je kg H2 werden dabei gleich-
erbaren Quellen beruht, eine zentrale Rolle ein- zeitig etwa 3 kg an festem Kohlenstoff (C) herge-
nehmen. Derzeit wird Wasserstoff unter stellt – im Sinne einer vollständigen Ressourcen-
Freisetzung von CO2 überwiegend durch Dampfre- nutzung kommt der nachhaltigen Verwendung
formierung von Erdgas hergestellt und vor allem dieses elementaren Kohlenstoffs eine wichtige
in der chemischen und der petrochemischen In- Bedeutung zu. Die an der Montanuniversität Le-
dustrie eingesetzt. oben durchgeführten wissenschaftlichen Unter-
suchungen bestätigen eine Korrelation zwischen
Würde man die in Zukunft benötigte Menge an der auftretenden Kohlenstoffmorphologie und
Wasserstoff ausschließlich über die Wasserelek- dem Pyrolyseprozess bzw. dem verwendeten Ka-
trolyse herstellen, so wären allein für Europa meh- talysatormaterial. Somit besteht die Möglichkeit,
rere Tausend Terawattstunden an elektrischer die Qualität des produzierten Kohlenstoffs hin-
Energie aus erneuerbaren Quellen notwendig. Eine sichtlich seiner Modifikation und Korngröße im
der möglichen alternativen Produktionsrouten für Hinblick auf anwendungsspezifische technische
erneuerbaren Wasserstoff ist die Methanpyrolyse: Parameter gezielt einzustellen.
Gegenüber anderen, alternativen Erzeugungswe-
gen weist sie bei einer sehr hohen Wasserstoffaus- Der Kohlenstoff kann je nach vorliegender Mo-
beute den geringsten Energieaufwand (weniger als difikation (Graphit, Graphen, Ruß, Kohlen-
ein Viertel der Wasserelektrolyse) auf. Damit ist stoffröhrchen, turbostratischer Kohlenstoff, …)
Wasserstoff aus der Pyrolyse von Methan im Hin- und Reinheit unterschiedlichen Verwendungen
blick auf den durch den Energieaufwand verur- zugeführt werden. Möglichkeiten dazu sind ei-
sachten Umweltimpakt allen anderen Prozessrou- nerseits die Nutzung in High-Tech-Anwendungen
ten deutlich überlegen. wie Carbon Nanotubes, Hochleistungswerkstof-
fen, Superkondensatoren oder micro-porösen
Kohlenstofftanks zur energieeffizienten Wasser-
16 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022stoffspeicherung und andererseits des Bodens, ein gezielter Aufbau von
als Rohstoff für Gummi- und Kunst- Humus sowie ein positiver Beitrag
Im Sinne einer möglichst
stoffprodukte sowie die Asphalt- auf klimaschädliche Bodenemissio-
und Feuerfestindustrie, als Additiv nen möglich sind. Darüber hinaus vollständigen Ressourcennutzung
in Schmiermitteln, Gießpulvern kann der Kohlenstoff auch als Addi- kommt es bei der Methanpyrolyse
und Elektrodenmaterial für die me- tiv in der Kompostierung und bei der darauf an, möglichst alle Stoff-
tallurgische Industrie und als Aus- Herstellung von organischen Dün-
und Energieströme zu nutzen.
gangsmaterial für Batterien und gerpellets eingesetzt werden. Für ei-
Speichersysteme für elektrische nen möglichen Einsatz von Kohlen-
Energie. stoff in der Landwirtschaft ist zwar blick auf die Entwicklung der Pyro-
eine entsprechende Reinheit maß- lysetechnologie sowie für die zu-
Mit Blick auf die hohe Ausbeute an geblich, durch die möglichen positi- künftige Umsetzung in großtech-
festem Kohlenstoff bei der Methan- ven ökologischen Effekte sind diese nischen Anlagen ein wesentlicher
pyrolyse kommt großvolumigen Anwendungen aber von besonderem Fokus auf die Wahl der Prozessroute
Kohlenstoffanwendungen eine be- Interesse. der Pyrolyse sowie die Bestimmung
sondere Bedeutung zu. Auf der einen der maßgeblichen Prozessparameter
Seite kann der Kohlenstoff in der Vor allem bei großvolumigen An- gelegt werden muss. Darüber hinaus
Baustoffindustrie als Zusatzstoff in wendungen von Kohlenstoff ist da- sollte gleichzeitig die ökonomische
Isolationsmaterialen sowie in kons- von auszugehen, dass im Hinblick und ökologische Bewertung mögli-
truktiven Baustoffen zur gezielten auf die Vermarktung eine weitere cher Anwendungsoptionen für Was-
Beeinflussung der physikalischen Verarbeitung nur mit geringem Kos- serstoff und Kohlenstoff im Sinne
Eigenschaften eingesetzt werden. teneinsatz durchgeführt werden einer nachhaltigen Technologieent-
Darüber hinaus ist auch ein Einsatz kann. Im Idealfall lässt sich der bei wicklung betrachtet werden. Eine
als Bodenhilfsstoff in der Landwirt- der Pyrolyse von Methan entstehen- möglichst vollständige Nutzung aller
schaft möglich, wobei hier insbeson- de Kohlenstoff ohne technologisch bei der Pyrolyse entstehender Stoff-
dere positive Effekte auf die Nähr- aufwendige Prozesse als Produkt ver- und Energieströme darf dabei nicht
stoff- und Wasserspeicherkapazität wenden. Daraus folgt, dass im Hin- außer Acht gelassen werden. ■
Quelle: Montanuniversität Leoben/pixabay.com/Wikipedia Commons
Pyrolysekohlestoff
Potentielle Menge
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 17Die Methanplasmalyse lässt
sich bereits heute in alltagstaug-
liche Lösungen integrieren!
Die Redaktion im Gespräch mit Dr. Jens Hanke, Gründer und CTO der Graforce GmbH, über das Potenzial der Plasmalyse
und erste Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis.
Quelle: Graforce GmbH
Dr. Jens Hanke ist Gründer und CTO der Graforce GmbH.
Redaktion: Herr Dr. Hanke, was genau ist die Plasmalyse?
Dr. Jens Hanke: Die Plasmalyse ist ein elektro-chemisches Verfahren, bei
der aus Methan, Abwässern von Klärwerken oder auch Gülle energieeffizi-
ent und CO2 -frei Wasserstoff erzeugt wird – mit geringen Herstellungskosten
und hohen Erträgen. Grundlage für das Verfahren bildet Ökostrom, aus dem
ein hochfrequentes Plasmafeld erzeugt wird. Dieses Feld spaltet die in den
Ausgangsstoffen enthaltenen energiereichen Stickstoff-Wasserstoff- und
Kohlenwasserstoffverbindungen auf. Anschließend verbinden sich die Mo-
leküle im Plasmafeld zu Wasserstoff und anderen Industriegasen.
Redaktion: Wie unterscheidet sich das Verfahren von der Pyrolyse?
Dr. Hanke: Die Pyrolyse ist ein thermo-chemisches Verfahren, bei dem
organische Verbindungen wie Methan bei hohen Temperaturen und weit-
gehend unter Ausschluss von Sauerstoff in Wasserstoff und festen Kohlen-
stoff gespalten werden. Abgesehen davon sind beide Verfahren sehr ähnlich:
18 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022Sie brauchen im Vergleich zur Elektrolyse nur
etwa ein Fünftel der Energie, um die gleiche Men-
ge an Wasserstoff herzustellen. Denn die Bindun-
gen zwischen Kohlen- und Wasserstoff im Me-
than (CH4 ) lassen sich leichter lösen als die
zwischen Sauerstoff und Wasserstoff im Wasser Die Methanplasmalyse
(H2 O). Aktuell ist die Pyrolyse noch nicht reif für
den industriellen Einsatz, es sind jedoch erste ermöglicht einen langfristigen
Demo-Anlagen in Deutschland geplant.
und dauerhaften Entzug von
Redaktion: Was ist eine CO²-Senke und inwiefern CO2 aus dem Kreislauf.
spielt dieser Begriff bei der Methanplasmalyse eine
Rolle?
Dr. Hanke: Von einer verfahrenstechnischen Redaktion: In welchen Bereichen können solche
CO2 -Senke sprechen wir, wenn bei der Methan- Anlagen generell eingesetzt werden? Welche wei-
plasmalyse nachhaltiges Biogas zum Einsatz teren Beispiele gibt es?
kommt. Der grüne Wasserstoff kann in Wasser- Dr. Hanke: Das Methanplasmalyse-Verfahren soll
stoff-BHKW, Heizkesseln oder SOFC-Brennstoff- schnell weiter ausgerollt werden. So stellen wir im
zellen direkt für die CO2 -freie Wärme- und Strom- Laufe dieses Jahres bereits ein Stadtquartier mit
gewinnung genutzt werden. Der elementare 40.000 Quadratmetern auf die CO2 -freie Wärme-
Kohlenstoff wiederum ist als industrieller Hilfs- erzeugung um. Das Anlagensystem, bestehend aus
stoff nutzbar, z. B. für Asphalt, Beton, Zement Plasmalyse, Wasserstoff-Blockheizkraftwerk
oder zur Bodenverbesserung. Dies ermöglicht (BHKW) und Heizkesseln, ist die erste alltagstaug-
einen langfristigen Entzug von CO 2 aus dem liche Lösung, mit der die Wärmewende realisiert
Kreislauf und ist damit auch von der CO2 -Steuer werden kann. Sie braucht keinen Strom aus dem
befreit. So wird über den gesamten Prozess hin- Netz, denn die Energie für die Wasserstoffproduk-
weg der Atmosphäre indirekt Kohlenstoffdioxid tion wird direkt über das BHKW erzeugt.
entzogen und es entsteht eine negative CO2 -Bi-
lanz. Redaktion: Und welche Verwendungsmöglichkeiten
gibt es für den festen Kohlenstoff, der während des
Redaktion: Inwieweit ist das Plasmalyse-Verfahren Verfahrens entsteht?
bereits marktreif und gibt es erste praktische An- Dr. Hanke: Kohlenstoff kann beispielsweise in
wendungen? Baustoffen verwendet werden. Dann wird das CO2
Dr. Hanke: Mit dem Mercure-Hotel MOA Berlin nicht mehr freigesetzt, sondern dauerhaft in As-
verwirklichen wir derzeit ein innovatives Ener- phalt oder Ziegelsteinen gebunden. Diese markt-
giekonzept auf Basis der Methan Plasmalyse. Bis- reife Technologie zur CO2 -Reduktion lässt sich im
her produzierte das Hotel mit fünf Erdgas-Heiz- gesamten Energiesystem einsetzen.
kesseln bis zu 800 t CO2 pro Jahr. Nun werden
zunächst zwei der fünf Heizkessel mit einem Redaktion: Warum schätzen Sie die Plasmalyse als
Gemisch aus Erdgas und bis zu 20 Prozent selbst die langfristig günstigere Lösung im Vergleich zur
erzeugtem Wasserstoff betrieben. Der H 2 -Anteil Elektrolyse ein?
wird dann sukzessive gesteigert, bis alle Kessel Dr. Hanke: Wird Wasserstoff mit Grünstrom über
nur mit Wasserstoff laufen – und damit der die Wasserelektrolyse erzeugt, benötigt das Verfah-
CO2 -Ausstoß auf null sinkt. ren mehr als 50 Kilowattstunden Strom pro kg H2 ,
da Wasserstoff in Wasser fester gebunden ist. Die
Plasmalyse nutzt alternative biogene Quellen, die
eine geringere Bindung haben. Dadurch sinken die
Kosten von durchschnittlich 6 bis 8 Euro auf 1,5
bis 3 Euro pro kg Wasserstoff. ■
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 19Insellösungen auf
Basis der Pyrolyse könnten
sich in Bayern etablieren
Die Redaktion im Gespräch mit Dr. Gregor Neunzert, Leiter Gasbeteiligungen der Stadtwerke München,
über H²-Insellösungen in Bayern und die Vorteile der Pyrolysetechnik.
Redaktion: Herr Dr. Neunzert, welche elektrische Antriebe umgestellt
Quelle: SWM
Strategien und Pläne verfolgen die werden. Hier setzen wir – im Unter-
Stadtwerke München in Bezug auf schied zu einigen anderen deut-
die Dekarbonisierung der Energie- schen Städten – auf Strom und
versorgung allgemein und speziell nicht auf Wasserstoff.
hinsichtlich eines Wasserstoff-Markt-
hochlaufs? Im Bereich Energieerzeugung arbei-
Dr. Gregor Neunzert: Die Stadt ten wir gerade an einer Strategie zur
München hat es sich zum Ziel ge- Nutzung von Wasserstoff und sind
setzt, bis 2035 klimaneutral zu wer- in diesem Zusammenhang dabei,
den. In diesem Zusammenhang ha- eine Datenbasis zu erstellen. Die
ben wir bei den Stadtwerken Ziele dieser Strategie könnten ana-
München bereits 2008 die Aus- log zu den erwähnten Zielen des
bau-Offensive „Erneuerbare Energi- Stromsektors ausfallen. Konkrete
en“ gestartet. Ziel der Offensive ist Maßnahmen gibt es auch schon:
es, den gesamten jährlichen Strom- Einige Gasturbinen in unseren Neu-
verbrauch Münchens – das sind un- anlagen sind bereits für eine ca. 10-
gefähr sieben Terawattstunden – ab bis 20-prozentige H 2 -Beimischung
2025 durch 100 Prozent Ökostrom ausgelegt. Im Rahmen von Moder-
aus eigenen Anlagen zu decken. nisierungen in den nächsten Jahren
Derzeit haben wir dieses Ziel bereits soll dies auch bei weiteren Turbinen
zu ca. 90 Prozent erreicht. Darüber umgesetzt werden.
hinaus wird ein Drittel der Münch-
ner Bevölkerung mit Fernwärme Redaktion: Inwiefern gelten für ein
versorgt. Hier sollen die zurzeit Unternehmen aus dem süddeutschen
noch verwendeten fossilen Brenn- Raum andere Voraussetzungen
stoffe spätestens bis 2040 insbeson- bezogen auf die H²-Nutzung als im
dere durch Geothermie ersetzt Vergleich zu Unternehmen aus dem
werden. Im Rahmen der Mobilitäts- Norden bzw. Westen der Bundesre-
wende bauen wir unser Bus- und publik?
Bahnangebot nicht nur massiv aus; Dr. Neunzert: Die Pläne der Fern-
die gesamte Busflotte soll außer- gasnetzbetreiber beruhen auf dem
dem bis 2035 komplett auf batterie- sogenannten europäischen H2-Back-
20 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022bone, einem in der Entwicklung befindlichen
europäischen Transportsystem für reinen Was-
serstoff. Bei einem Blick auf die geplanten Aus-
baustufen sieht man, dass wir in München vor-
aussichtlich erst nach 2035, also sehr spät, an den
Backbone angeschlossen werden sollen. Wir set-
zen bis dahin auf sogenannte Insellösungen, also etwa, wenn Altreifen über Müllverbrennungsan-
auf dezentral erzeugte regenerative Energien, und lagen entsorgt werden. Und bei sehr großen Men-
wir gehen davon aus, dass sich solche Lösungen gen besteht die Gefahr, dass sie im Markt nicht
in ganz Bayern etablieren werden. Hinzu kommt: mehr unterzubringen sind. Sie müssten dann
In Bayern gibt es vergleichsweise wenige Onsho- deponiert werden.
re-Windparks zur Erzeugung von regenerativem
Strom, der ja für die Produktion von grünem Redaktion: Wie bewerten Sie die Chancen für einen
Wasserstoff unabdingbar ist. Daher ist die Pyroly- Markthochlauf der Pyrolysetechnik?
se zur Erzeugung von türkisem Wasserstoff in Dr. Neunzert: Vorteil des türkisen Wasserstoffs
Süddeutschland absolut interessant. ist seine Skalierbarkeit. In den USA werden bei-
spielsweise schon bald Brenner für die Wohnung
Redaktion: Welche Vorteile sind mit der Pyrolyse angeboten, also quasi Pyrolyse für den Hausge-
verbunden? Gibt es bereits konkrete Beispiele? brauch. Dies ist eine interessante Idee, weil die
Dr. Neunzert: Die Vorteile der Pyrolysetechnik bestehende Gasinfrastruktur in Deutschland
liegen auf der Hand: Im Vergleich zur Erzeugung dazu sehr leicht ver-
von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse be- wendet werden kann.
nötigt die Produktion von türkisem Wasserstoff Auch mittelgroße
ungefähr 80 Prozent weniger Strom. Das liegt Anlagen für Gewer-
München wird voraussicht-
daran, dass die chemische Verbindung von Was- bebetriebe oder Ho- lich erst nach 2035 an den
ser deutlich fester ist als die chemische Verbin- tels sind bereits im
dung von Methan, das bei der Pyrolyse zum Ein- Einsatz und große
H2-Backbone angeschlossen –
satz kommt. Den anfallenden festen Kohlenstoff Erzeuger wie die deshalb setzen wir auf
kann man außerdem, je nach Reinheitsgrad und BASF betreiben die Insellösungen.
Menge, als Grundstoff in der Chemie- Pyrolyse in großen
industrie zum Ersatz von Graphit verwenden und Versuchsanlagen. Für einen robusten Markthoch-
Erlöspotenziale generieren. Größere Mengen sind lauf benötigen wir aber außerdem ein klares,
wiederum sicherlich für Reifenhersteller interes- verbindliches Regelwerk hinsichtlich der Defini-
sant. Hier muss man allerdings Vorkehrungen tion des Wasserstoffs als Grün bzw. als kohlen-
treffen, damit der Kohlenstoff dann nicht doch stoffarm. Nur dann hat diese Technik eine lang-
irgendwann wieder in der Atmosphäre landet – fristige und echte Chance. ■
INFORMATION
Das H2-Reallabor Burghausen/ChemDelta Bavaria
Im Rahmen des Reallabors Burghausen/ChemDelta Bavaria hat man sich zum Ziel gesetzt, industri-
elle chemischen Wertschöpfung auf nicht-fossile Kohlenstoffquellen umzustellen und eine Wasser-
stofftankstelleninfrastruktur in der Region Burghausen aufzubauen. Außerdem steht im Fokus, einen
Nukleus für die bayerische Wasserstoffwirtschaft zu etablieren. Das Projekt verfolgt einen integra-
tiven Ansatz zur Hebung des industriellen Potenzials der Wasserstofftechnologie in der chemischen
Industrie sowie der möglichen Plattform- und Koppelprodukte für Mobilität, Industrieanwendungen
und Regionalentwicklung.
energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022 21Quelle: Westnetz GmbH
Die Pyrolysetechnik
ist eine zügig einsetzbare
Brückentechnologie!
Die Redaktion im Gespräch mit Dr. Andreas Breuer, Leiter Wasserstoff der Westnetz GmbH, über die
Umsetzung des Projektes „HydroNet – Klimaschutz-Modellregion Sauerland“ und den damit einhergehen-
den Einsatz der Pyrolysetechnik zur Wasserstoffproduktion.
Redaktion: Herr Dr. Breuer, welche Ziele verfolgen hergestellt werden, beispielsweise im Automobil-
Sie mit HydroNet, der Klimaschutz-Modellregion zulieferbereich. Nun stehen die Unternehmen
Sauerland? aber vor der Herausforderung, die theoretischen
Dr. Andreas Breuer: Mit der Klimaschutz-Mo- Pläne ins reale Leben transferieren zu müssen.
dellregion Sauerland entsteht aus unserer Sicht Und genau da sehe ich unserer Aufgabe als West-
das Energiesystem der Zukunft. Gemeinsam mit netz. Wir unterstützen die gesamte Region und
unseren Partnern ist unser Ziel, die Region um sagen: Wir starten mit dem Aufbau einer Wasser-
Arnsberg über den Einsatz moderner Wasserstoff- stoffinfrastruktur und können Euch als Unter-
technologien klimaneutral zu machen. Das heißt: nehmen an diese Infrastruktur anbinden. Mehr
In den kommenden Jahren sollen dafür Industrie, noch: Die Entwicklung der Region um Arnsberg
mittelständische Unternehmen und auch der in Bezug auf Klimaneutralität dient auch als Blau-
Mobilitätsbereich in die Nutzung von Wasserstoff pause für andere Regionen. Ein Beispiel ist der
einsteigen. Kern des Projektes ist eine 11 Kilome- Nachbarkreis Soest: Dort ist man bereits auf uns
ter lange Erdgasleitung, die auf den Betrieb von aufmerksam geworden und denkt darüber nach,
Wasserstoff umgestellt werden und so als Ener- Teile des Projekts zu übernehmen.
giespeicher dienen soll. Wir haben das Projekt
ganz bewusst Klimaschutz-Modellregion genannt Redaktion: Warum kommt im Rahmen des Projek-
und nicht etwa „Wasserstoffprojekt Sauerland“ tes HydroNet auch türkiser Wasserstoff zum Ein-
– u. a. deshalb, weil wir zeigen wollen, wie sich satz? Welche Vorteile sind damit verbunden?
eine Region nachhaltig in Bezug auf die Klima- Dr. Breuer: Neben der Elektrolyse setzen wir be-
schutzziele entwickeln kann. wusst auch auf die Pyrolysetechnik, weil wir den
Unternehmen demonstrieren wollen, was bereits
Redaktion: Wie ist die Resonanz der beteiligten heute umsetzbar ist. Wir betrachten die Pyrolyse
Unternehmen und Partner? als eine zügig einsetzbare Brückentechnologie,
Dr. Breuer: In den vergangenen Monaten habe weil wir den Energiebedarf nicht unmittelbar und
ich in vielen Gesprächen gelernt, dass Unterneh- ausschließlich mit grünem Wasserstoff decken
men sich schon sehr intensiv mit dem Thema können. Die Gegebenheiten sind günstig: Einer
Wasserstoff auseinandersetzen – und dies sowohl unserer Partner, ein Entsorgungsbetrieb aus Arns-
aus eigener Initiative als auch getrieben von den berg, verfügt am Standort seiner Müllverbren-
Wünschen der Kunden. Diese fragen inzwischen nungsanlage über Rohstoffe in Form von Abfall-
nach Produkten, die perspektivisch CO2 -neutral resten, die sich sehr gut für die Pyrolyse nutzen
22 energie | wasser-praxis kompakt Mai 2022Sie können auch lesen
