Neues Verfahren zur Methanpyrolyse zur Wasserstoffproduktion an der Stanford University entwickelt – Ausbeute zehnmal höher

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der School of Engineering der Stanford University berichtet im Magazin Science über ein neues Verfahren zur Methanpyrolyse zur Wasserstoffproduktion. Das neue Verfahren beheizt den Reaktor von innen und spaltet Methan direkt in Wasserstoff und festen Kohlenstoff. Laut den Forschern erzeugt der neue Reaktor bei gleicher Energiezufuhr etwa zehnmal so viel Material wie herkömmliche Verfahren mit externer Beheizung.

Bestehende Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus Erdgas setzen bei der Gewinnung von Wasserstoff gasförmiges Kohlendioxid frei; bei der Methanpyrolyse hingegen wird Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt, ohne dass gasförmiges Kohlendioxid entsteht. Diese Technologie wird seit Jahren erforscht, doch eine Skalierung vom Labormaßstab auf industrielle Größe war bislang schwierig. Die Haupthindernisse sind zweierlei: das Entfernen des festen Kohlenstoffs aus dem Reaktor sowie die Bereitstellung ausreichender Wärme für den Reaktionsprozess. Henry Moise, Co-Erstautor der Studie und Forscher am Department of Chemical Engineering der Stanford University, erklärte, dass sich die aktuelle Arbeit auf das letztgenannte Problem der Wärmeversorgung konzentriere.

Matteo Cargnello, leitender Autor der Studie und außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University, erklärte, dass die Reaktoren sehr groß gebaut werden müssten, um die Pyrolyse auf das Niveau des Wasserstoffmarktes zu bringen, und dass sie auf 1000 Grad Celsius erhitzt werden müssten – die Beheizungsmethode müsse äußerst effizient sein. Aktuelle industrielle Reaktoren werden überwiegend von außen beheizt; je größer der Reaktor, desto schwieriger dringt die Wärme in das Zentrum des Reaktors vor. Das Forschungsteam setzte nicht auf die externe Verbrennung von Erdgas, die Kohlendioxid erzeugt, sondern platzierte einen Brenner im Reaktor, der selektiv einen Teil des Wasserstoffs verbrennt. Die Verbrennungsprodukte dieses Wasserstoffanteils bestehen überwiegend aus Wasser, was die Methanspaltungsreaktion vorantreibt und gleichzeitig direkte Kohlendioxidemissionen vermeidet.

Laut Moise führt diese autotherme Beheizungsmethode zu einer etwa zehnfachen Effizienzsteigerung. Bei gleicher Energiezufuhr erzeugt der Reaktor mit der neuen Methode etwa so viel Material wie zehn Reaktoren mit herkömmlicher externer Beheizung. Die Forschung zeigte zudem, dass der bei der Reaktion entstehende feste Kohlenstoff in Form von hochwertigem Graphit ausfällt, der für Produkte wie Batterien und Elektroden verwendet werden kann. Moise bezeichnete dies als die „größte Überraschung“ des Projekts.

Moise sagte, dass mindestens einige Prozentpunkte des Bruttoinlandsprodukts von Wasserstoff abhängen. Er nannte Düngemittel als Beispiel: Die Ammoniakproduktion ist auf Wasserstoff angewiesen, und Ammoniakdünger ernährt schätzungsweise etwa die Hälfte der Weltbevölkerung; Wasserstoff wird auch in der Erdölraffination zur Entschwefelung von Benzin verwendet und trägt zur Herstellung von Produkten wie Methanol bei. Wasserstoff sei „überall vorhanden, sodass er unsichtbar geworden ist“. Das Forschungsteam hofft, mit dem neuen Verfahren Bedingungen für eine kostengünstige und saubere Wasserstoffproduktion zu schaffen.

Laut der Studie ist der deutsche Gaststudent Sebastian Moll, der sechs Monate im Labor von Moise arbeitete, ebenfalls Co-Erstautor der Arbeit. Das Team von Eric McFarland von der University of California, Santa Barbara, lieferte Daten für Reaktoren in größerem Maßstab; Arun Majumdar ermutigte das Team, sich dieser Forschungsaufgabe zu widmen. Weitere Co-Autoren sind Joshua Martinez-Navarro und Sai Varanasi von der Stanford University, der ehemalige Postdoktorand Kun Xu sowie Forscher der University of California, Santa Barbara und des Karlsruher Instituts für Technologie in Deutschland.

Die Stanford University hat für die Forschungsergebnisse eine vorläufige Patentanmeldung eingereicht. Die Forschung wurde von der Kavli Foundation, dem Carbon Hub an der Rice University, der Natural Gas Initiative an der Stanford University sowie dem CO2-Forschungszentrum an der Universität Aarhus in Dänemark gefördert. Cargnello erklärte, dass die Forschung weiterhin skaliert werden müsse, um die Anwendung des Verfahrens in der etablierten Wasserstoffproduktion zu validieren.