Untersuchung der nachhaltigen Verwertung von Kohlenstoff aus der Methanpyrolyse

CO₂-freier bzw. mit geringem CO₂-Fußabdruck hergestellter Wasserstoff wird in einem zukünftigen Energiesystem, das ausschließlich auf erneuerbaren Quellen beruht, eine zentrale Rolle einnehmen. Wasserstoff ermöglicht die Kopplung der Sektoren Strom, Gas und Wärme, die Speicherung von erneuerbarer Überschussenergie und liefert einen wichtigen Beitrag für eine klimaneutrale Mobilität sowie Industrieproduktion.

Derzeit wird Wasserstoff unter Freisetzung von CO₂ überwiegend durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt und vor allem in der chemischen und der petrochemischen Industrie eingesetzt. Würde man die in Zukunft benötigte Menge an Wasserstoff ausschließlich über Wasserelektrolyse herstellen, so wären allein für Europa mehrere Tausend TWh an elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen notwendig. 

Eine der möglichen alternativen Produktionsrouten für erneuerbaren Wasserstoff ist die Methanpyrolyse. Gegenüber anderen, alternativen Erzeugungswegen weist die Methanpyrolyse bei einer sehr hohen Wasserstoffausbeute den geringsten Energieaufwand (weniger als ein Viertel der Wasserelektrolyse) auf. Damit ist Wasserstoff aus der Pyrolyse von Methan im Hinblick auf den durch den Energieaufwand verursachten Umweltimpakt allen anderen Prozessrouten deutlich überlegen.

Da bei der Methanpyrolyse fester Kohlenstoff als Nebenprodukt erzeugt wird, ist der produzierte Wasserstoff CO₂-frei. Je Kilogramm Wasserstoff werden dabei gleichzeitig etwa drei Kilogramm an festem Kohlenstoff hergestellt - im Sinne einer vollständigen Ressourcennutzung kommt der nachhaltigen Verwendung dieses elementaren Kohlenstoffs eine wichtige Bedeutung zu. Die an der Montanuniversität Leoben durchgeführten wissenschaftlichen Untersuchungen bestätigen eine Korrelation der auftretenden Kohlenstoffmorphologie und des Pyrolyseprozesses bzw. dem verwendeten Katalysatormaterial.

Somit besteht die Möglichkeit die Qualität des produzierten Kohlenstoffs hinsichtlich seiner Modifikation und Korngröße im Hinblick auf anwendungsspezifische technische Spezifikationen gezielt einzustellen.

Da bei der Produktion von Wasserstoff aus Methan je Kilogramm Wasserstoff gleichzeitig etwa drei  Kilogramm an festem Kohlenstoff hergestellt werden, kommt speziell großvolumigen Anwendungen von Kohlenstoff eine besondere Bedeutung zu. Einerseits kann der Kohlenstoff in der  Baustoffindustrie als Zusatzstoff in Isolationsmaterialien sowie in konstruktiven Baustoffen zur  gezielten Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften eingesetzt werden. Die Technische Universität Graz hat sich dazu befasst und erste Erkenntnisse über den Einsatz von festem Kohlenstoff in Baumaterialien erhoben.

Darüber hinaus kann der Kohlenstoff auch als Bodenhilfsstoff in der Landwirtschaft angewendet werden, wobei hier insbesondere positive Effekte auf die Nährstoff- und Wasserspeicherkapazität des Bodens, ein gezielter Aufbau von Humus sowie ein positiver Beitrag auf klimaschädliche Bodenemissionen möglich sind. Darüber hinaus kann der Kohlenstoff auch als Additiv in der Kompostierung und bei der Herstellung von organischen Düngerpellets eingesetzt werden. Für einen möglichen Einsatz von Kohlenstoff in der Landwirtschaft ist eine entsprechende Reinheit des Kohlenstoffes maßgeblich. Durch die möglichen positiven ökologischen Effekte sind diese Anwendungen aber von besonderem Interesse. Hierzu hat die BOKU intensive Recherchen vorgenommen und vielversprechende Ergebnisse zur Anwendung von festem Kohlenstoff in der Landwirtschaft hervorgebracht.

Vor allem bei großvolumigen Anwendungen von Kohlenstoff ist davon auszugehen, dass im Hinblick auf die Vermarktung des Kohlenstoffs eine weitere Verarbeitung nur mit geringem Kosteneinsatz durchgeführt werden kann. Im Idealfall kann der bei der Pyrolyse von Methan entstehende Kohlenstoff ohne technologisch aufwändige Prozesse als Produkt verwendet werden. Daraus folgt, dass im Hinblick auf die Entwicklung der Pyrolysetechnologie sowie für die zukünftige Umsetzung in großtechnischen Anlagen ein wesentlicher Fokus auf die Wahl der Prozessroute der Pyrolyse sowie die Bestimmung der maßgeblichen Prozessparameter gelegt werden muss. Darüber hinaus muss gleichzeitig die ökonomische und ökologische Bewertung möglicher Anwendungsoptionen für Wasserstoff und Kohlenstoff im Sinne einer nachhaltigen Technologieentwicklung betrachtet werden. Eine möglichst vollständige Nutzung aller bei der Pyrolyse entstehender Stoff- und Energieströme darf dabei nicht außer Acht gelassen werden. Eine volkswirtschaftliche Betrachtung des Einsatzes von Kohlenstoff aus der Methanpyrolyse hat die Universität Graz gemacht, um Verdrängungseffekte, geopolitische Abhängigkeiten und Marktsituationen zu verstehen.

Jonathan Burkert, Katrin Brugger, Laura Haberfellner
CCCA – Climate Change Centre Austria

Markus Lehner, Robert Obenaus-Emler
MUL – Montanuniversität Leoben

Rebecca Hood-Nowotny, Sanda Zabrian
BOKU – Universität für Bodenkultur Wien

Markus Puschenreiter
Natur-Umwelt-Nachhaltigkeit

Thomas Prohaska
MUL – Montanuniversität Leoben

Nicolas Alaux, Alexander Passer, Marcella Ruschi Mendes Saade
TU Graz

Samuel Duelli, Raphaela Maier, Jakob Mayer, Karl Steininger
Universität Graz