Fokus Methanpyrolyse – Sektorübergreifende Transformation mit emissionsarmem Wasserstoff und Klimawandelanpassung mit festem Kohlenstoff

Analysen der Internationalen Energieagentur (IEA) zum globalen Wasserstoffmarkt basierend auf der Entwicklung der vergangenen Jahre zeigen, dass für das Jahr 2024 mit einer Wasserstoffproduktion von etwa 100 Mio. t gerechnet wird (Abb. 1; [1]). Die Deckung der Nachfrage erfolgte weiterhin primär durch lokale Produktion in Industrieregionen, während der internationale Handel von untergeordneter Bedeutung bleibt. China nimmt bei der Produktion eine führende Position ein und hat einen Anteil von nahezu 30 % der globalen Produktion. Es folgen die Vereinigten Staaten und der Nahen Osten mit einem Anteil von jeweils etwa 14 % und Indien mit 9 %.

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Die vorliegenden Daten und Trends zeigen eine anhaltende Abhängigkeit der Wasserstoffproduktion von fossilen Rohstoffen. Mit einem Anteil von etwa zwei Dritteln an der Gesamtproduktion dominiert der Prozess der Dampfreformierung aus Erdgas. Weitere 20 % der globalen Wasserstoffproduktion entstammen der Kohlevergasung, wobei dieser Prozess hauptsächlich in China durchgeführt wird. Darüber hinaus werden weltweit mehr als 15 % des Wasserstoffs als Nebenprodukt in Raffinerien und in der petrochemischen Industrie, bei Verfahren wie der Naphtha-Reformierung, produziert [1].

Die Produktion von emissionsarmem Wasserstoff hat in den letzten zwei Jahren geringfügig zugenommen, liegt nach wie vor aber unter einer Million Tonnen pro Jahr. Dies entspricht weniger als 1 % der weltweiten Produktionsmenge. Der Großteil dieses emissionsarmen Wasserstoffs wird derzeit aus fossilen Brennstoffen und gleichzeitiger Abscheidung und Nutzung bzw. Speicherung von CO₂ (Carbon Capture Use/Storage | CCUS) gewonnen, während die Wasserstoffproduktion mittels Wasserelektrolyse nach wie vor eine untergeordnete Rolle spielt. Im Jahr 2024 lag die globale elektrolytische Wasserstoffproduktion etwas unter 100 kt Wasserstoff, wobei der Hauptanteil mit rund 75 % auf China, Europa und die Vereinigten Staaten entfällt [1].

Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas mittels Dampfreformierung werden Treibhausgase, umgerechnet in CO₂-äquivalente Emissionen, im Ausmaß von etwa 10 bis 12 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff freigesetzt [3, 4]. Bei der Herstellung von Wasserstoff basierend auf Kohlevergasung werden etwa 22 bis 26 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff produziert [3]. Bei der Elektrolyse werden keine direkten Prozessemissionen frei. Der CO₂-Fußabdruck des Wasserstoffs setzt sich in diesem Fall einerseits aus den Emissionen der Energieherstellung und andererseits aus den Emissionen bei der Herstellung und Installation der Elektrolyseure zusammen, wobei dieser Anteil bei entsprechendem Nutzungsgrad einen relativ geringen Beitrag darstellt. Bei der Elektrolyse kommt es also bei den spezifischen Emissionen zu einer relativ hohen Spannbreite, welche derzeit im günstigsten Fall bei ungefähr 0,7 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff liegen (Nutzung erneuerbarer Energie aus Wasser- oder Windkraft) [3]. Bei der Nutzung von elektrischer Energie entsprechend dem Durchschnitt der globalen Stromherstellung würden Emissionen von etwa 24 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff freigesetzt werden [3].

Die Emissionen für die Produktion von Wasserstoff für das Jahr 2023 werden gemäß den Analysen der IEA auf etwa 920 Mio. t CO_2,eq geschätzt [1]. Dies entspricht knapp 2 % der globalen Emissionen an Treibhausgasen.

Der historische Trend des globalen Wasserstoffbedarfs ist nicht das Ergebnis politischer Maßnahmen für die Nutzung von Wasserstoff in neuen Anwendungen, sondern ist vielmehr auf globale Energietrends zurückzuführen. Der Großteil dieses Anstiegs ist traditionellen Anwendungen von Wasserstoff (z. B. stoffliche Nutzung in industriellen Prozessen und Erdölraffination) zuzuschreiben. Die steigende Produktion basiert dabei fast ausschließlich auf der Grundlage fossiler Ressourcen. Diese Entwicklung trägt jedoch nicht zur Eindämmung des Klimawandels bei. Der Einsatz von Wasserstoff in neuen Anwendungsbereichen, wie der Schwerindustrie, dem Verkehr, der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen auf Wasserstoffbasis oder der Stromerzeugung und -speicherung, die für den Übergang zu sauberer Energie von entscheidender Bedeutung sind, blieb bis dato marginal und liegt bei weniger als 0,1 % der weltweiten Nachfrage [1].

Die Internationale Energieagentur prognostiziert für das aktualisierte Netto-Null-Emissionen-Szenario für 2050 (NZE-2050-Szenario) ein jährliches Wachstum des Wasserstoffbedarfs um 6 % bis zum Ende dieses Jahrzehnts. Demzufolge wird der jährliche Wasserstoffbedarf im Jahr 2030 bei mehr als 150 Mio. t liegen, wobei nahezu 40 % (knapp 60 Mio. t) auf neue Anwendungen entfallen werden [1]. Zu den genannten Anwendungen zählen insbesondere die stoffliche Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel in Prozessen der Direktreduktion für die Herstellung von direkt reduziertem Eisen (DRI) oder auch der Einsatz in der Wasserstoffplasmaschmelzreduktion, Anwendungen in der Mobilität sowie als Ausgangsstoff für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen und Ammoniak. Darüber hinaus ist die Verwendung in der Veredelung von Biokraftstoffen, die energetische Nutzung für Hochtemperaturanwendungen in der Industrie sowie die Nutzung zur Stromspeicherung und -erzeugung zu erwarten (Abb. 2).

Gemäß dem NZE-2050-Szenario der IEA wird der jährliche globale Wasserstoffbedarf im Jahr 2050 mit etwa 530 Mio. t prognostiziert, wobei davon ausgegangen wird, dass rund 300 Mio. t Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt werden [5]. In Bezug auf die Einhaltung der Klimaziele kommt der Produktionsroute und den damit verbundenen Emissionen sowie der Nutzung der vorhandenen Ressourcen innerhalb der planetaren Grenzen eine besondere Bedeutung zu.

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Da die für eine signifikante Reduktion globaler Treibhausgasemissionen erforderlichen großen Mengen an emissionsarmem Wasserstoff entsprechend der gegenwärtigen Prognosen nicht ausschließlich auf nachhaltige Weise hergestellt werden können, besteht ein Bedarf zur Entwicklung zusätzlicher Wasserstoffproduktionsrouten. Potenzielle alternative Produktionsrouten für emissionsarmen Wasserstoff sind:

Wasserstoff kann aus biologischen Ressourcen (entweder in Form von Biomasse oder aus Abfall- bzw. Reststoffströmen) mit Hilfe unterschiedlicher Technologien erzeugt werden. Diese Route bietet das Potenzial, emissionsarmen Wasserstoff mit einer sehr geringen Emissionsintensität zu erzeugen, wobei diese sogar negativ sein kann, wenn das freiwerdende CO₂ abgetrennt und für Produkte mit langandauernder CO₂-Bindung genutzt oder gespeichert wird. Die Emissionsintensität bioenergiebasierter Routen ist grundsätzlich jedoch stark abhängig von einer Vielzahl von Faktoren, wie beispielsweise den vorgelagerten Emissionen in der Lieferkette oder der Zusammensetzung der Biomasse, ganz besonders im Fall von Abfallstoffströmen [1, 4, 5]. Ein wesentlicher Nachteil dieser Produktionsroute ist der geringere Wasserstoffgehalt im Ausgangsstoff sowie generell die Verfügbarkeit von Biomasse bzw. Biomassereststoffströmen. Darüber hinaus sollte im Sinne der Nachhaltigkeit und effektiven Nutzung von Ressourcen eine kaskadische Nutzung von Biomasse, insbesondere bei holzartiger Biomasse, angestrebt werden.

Natürlich vorkommender Wasserstoff wird im Untergrund der Erde kontinuierlich durch eine Reihe von chemischen Reaktionen produziert, die die Oxidation von Eisenmineralien, die Radiolyse von Wasser, die Reifung organischer Stoffe sowie die Ausgasung aus dem Erdmantel umfassen. Eine wachsende Zahl von Entdeckungen unterirdischer Wasserstoffvorkommen weckt das Interesse an natürlichem Wasserstoff als Ergänzung zu anderen emissionsarmen Wasserstoffproduktionstechnologien. Natürlicher Wasserstoff weist im Produktionsprozess eine hohe Regelmäßigkeit auf, was im Gegensatz zur Erzeugung aus erneuerbaren Energien, mit der Ausnahme von Wasserkraft, steht. Erste Prognosen weisen darauf hin, dass das Wasserstoffpotenzial der Erde den aktuellen Bedarf übersteigt und potenziell zur Deckung des zunehmenden Bedarfs im Rahmen von Dekarbonisierungsszenarien beitragen könnte. Allerdings sind detaillierte geologische Untersuchungen über natürliche Wasserstoffvorkommen heute noch nicht umfangreich verfügbar, was ein umfassendes Verständnis seiner Entstehung, Migration und kommerziellen Verwertbarkeit erschwert. Erste Studien weisen darauf hin, dass die Lebenszyklusemissionen der natürlichen Wasserstoffproduktion niedrig (unter 1 kg CO₂ pro kg Wasserstoff), aber während der Lebensdauer einer Bohrung durchaus variabel sein können. Die Schätzung von Produktionskosten gestaltet sich auf Grund der derzeit vorliegenden Daten noch als äußerst schwierig [1, 4, 5].

Eine weitere vielversprechende Technologie zur Herstellung von emissionsarmem Wasserstoff ist die Methanpyrolyse. Dabei wird Methan in Abwesenheit von Sauerstoff in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Um eine entsprechende Umsetzung von Methan zu erhalten wird die Methanpyrolyse grundsätzlich bei Temperaturen über 1000 °C durchgeführt. Für diesen Prozess sind prinzipiell folgende Prozessrouten bekannt: (1) Zersetzung im Plasma, (2) Thermo-katalytische Zersetzung und (3) Thermische Zersetzung. Diese Prozessrouten unterscheiden sich im technologischen Reifegrad, der Skalierbarkeit sowie in der Qualität (Reinheit) der beiden Produkte Wasserstoff und Kohlenstoff [7].

Die aktuellen Herausforderungen für die künftige industrielle Umsetzung der Methanpyrolyse sind (1) die Skalierbarkeit von Prozessen, die kontinuierlich und ressourceneffizient betrieben werden können, und (2) die Erzeugung von hochwertigen Kohlenstoffprodukten für kleine Märkte sowie die Entwicklung preisgünstiger Verwertungspfade für Massenmärkte wie Bauindustrie und Landwirtschaft. Ein Vorteil der im Zuge der Methanpyrolyse angestrebten effektiven Nutzung der Ressource Erdgas besteht in der Tatsache, dass Erdgas einerseits noch längerfristig verfügbar ist und andererseits durch die vorhandene Infrastruktur auch leicht transportiert bzw. regional verteilt werden kann.

Hinsichtlich der Treibhausgasemissionen besteht ein wesentlicher Vorteil der Methanpyrolyse darin, dass der Prozess eine nahezu vollständige Vermeidung direkter CO₂-Emissionen ermöglicht und stattdessen fester Kohlenstoff als wertvolles Nebenprodukt entsteht. Die spezifischen Emissionen von Wasserstoff aus der Methanpyrolyse stammen fast ausschließlich aus zwei Quellen: (1) der Lieferkette des Methans sowie (2) den Emissionen aus der Energiebereitstellung [1, 4, 7].

Wie bereits dargestellt, haben die produktspezifischen Emissionen der Wasserstoffproduktion entlang der gesamten Wertschöpfungskette einen wesentlichen Einfluss auf die Erreichung der globalen Klimaziele [2, 3, 16]. Entsprechend der Erneuerbaren-Energie-Richtlinie der EU (Renewable Energy Directive III | RED III, [16]) muss der CO_2,eq-Fußabdruck für die zukünftige Wasserstoffproduktion unter dem festgelegten Grenzwert von 3,38 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff liegen. Dieser Grenzwert entspricht einer Reduktion von 70 % gegenüber der aktuellen Produktion von Wasserstoff durch Dampfreformierung aus Erdgas. Die im folgenden genannten Daten zum ökologischen Fußabdruck beziehen sich immer auf eine komplette Lebenszyklusanalyse der gesamten Wertschöpfungskette (cradle-to-gate | von der Wiege bis zum Werkstor) unter Berücksichtigung aller relevanten Treibhausgasemissionen.

Die produktspezifischen Emissionen von Wasserstoff aus der Dampfreformierung von Erdgas (Steam Methane Reforming | SMR) liegen bei etwa 10 bis 12 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff [1, 4, 16‐18]. Bei der Kombination von Dampfreformierung mit anschließender Abtrennung und Speicherung bzw. Nutzung von CO₂ (SMR mit Carbon Capture Use/Storage | SMR + CCUS) können die Treibhausgasemissionen in Abhängigkeit des Trenngrades von CO₂ deutlich reduziert werden. Der resultierende ökologische Fußabdruck liegt im Bereich von etwa 1,5 bis 4 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff [1, 4, 17‐19].

Bei der Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse hängt der ökologische Fußabdruck in großem Maße vom ökologischen Fußabdruck der eingesetzten Energie ab. Der in Abb. 5 dargestellte Bereich bezieht sich auf den Energieeinsatz aus erneuerbaren Quellen: Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik. Ein wesentlich kleinerer Teil des ökologischen Fußabdruckes bei der Elektrolyse stammt aus der restlichen Wertschöpfungskette und beinhaltet unter anderem die Wasserbereitstellung inklusive Wasseraufbereitung sowie die mit der Herstellung der Elektrolyseure verbundenen Emissionen. Hier zeigt sich auch ein kleiner Unterschied zwischen einzelnen Technologien der Elektrolyse. Der resultierende ökologische Fußabdruck liegt im Bereich von etwa 0,7 bis 1,6 kg CO_2,eq pro kg Wasserstoff [1, 4]. Mit Hilfe dieser Prozessvariante können die Vorgaben entsprechend RED III also jedenfalls erreicht werden. Allerdings ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass der zuvor genannte ökologische Fußabdruck ausschließlich unter Verwendung erneuerbarer Energie gültig ist. Wird für die Elektrolyse z. B. der europäische Strommix verwendet, zeigt sich ein deutlich höherer ökologischer Fußabdruck als bei der Dampfreformierung von Erdgas (siehe Abschn. 2.1).

Der ökologische Fußabdruck der Methanpyrolyse liegt unterhalb des Grenzwertes entsprechend RED III, wenn der Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen stammt und das Erdgas einen entsprechend geringen ökologischen Fußabdruck aus seiner Wertschöpfungskette mitbringt. Im Fall von Erdgas betrifft dies die Emissionen aller Treibhausgase im Zusammenhang mit der Exploration, der Förderung und dem Transport (inklusive allfälliger Umwandlungsschritte) von Erdgas von der Lagerstätte bis zum Standort der Methanpyrolyse.

Um den ökologischen Fußabdruck unterschiedlicher Technologien der Methanpyrolyse abzuschätzen, wurde eine Lebenszyklusanalyse nach ISO 14040/14044 durchgeführt [20]. Die beiden von der Montanuniversität Leoben derzeit in Entwicklung befindlichen Technologien der Methanpyrolyse, nämlich einerseits der Pyrolyse im flüssigen Metallbad sowie andererseits der Plasmalyse, zeigen einen sehr ähnlichen ökologischen Fußabdruck. Für Methanpyrolyse am Standort Österreich ergibt sich dabei beim Einsatz erneuerbarer Energie aus Wasser- oder Windkraft sowie der Nutzung von Erdgas aus Norwegen ein ökologischer Fußabdruck von etwa 1,7 bis 2,5 kgCO_2,eq pro kg Wasserstoff [19]. Würde anstelle von Erdgas Biogas als Methanquelle eingesetzt werden, dann kann der resultierende Wasserstoff auch einen negativen ökologischen Fußabdruck haben. Um für diesen Fall genauere Daten zu erhalten, müssten zusätzliche Parameter berücksichtigt werden, die nicht im Umfang der Studie zur Lebenszyklusanalyse enthalten waren.

Der im Folgenden für unterschiedliche Prozessrouten dargestellte spezifische Energiebedarf bezieht sich ausschließlich auf jene Energiemenge, die im Prozess zugeführt werden muss, um Wasserstoff zu produzieren. Dabei werden ausschließlich technische Daten unter Berücksichtigung der jeweiligen realen Prozesseffizienz verwendet. Im Sinne einer Bilanzierung nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik müssten grundsätzlich der Energieinhalt aller Ausgangsstoffe ebenfalls berücksichtigt werden. Der Energieinhalt von Methan wird dabei explizit nicht berücksichtigt, da diese Energiemenge nur dann nutzbar gemacht werden kann, wenn Methan mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid umgewandelt wird. Diese Art der Nutzung steht jedoch im Widerspruch zu Nachhaltigkeits- und Klimaschutzzielen, da hier erhebliche Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden würden. Die traditionelle Verwendung von Erdgas ist somit keine sinnvolle Option, weshalb auch die Nutzung des damit verbundenen Energieinhalts in zukünftigen Szenarien zu minimieren bzw. zu eliminieren ist. Da Methan bzw. Erdgas jedoch keine knappe Ressource ist, gilt es sinnvolle und effektive Nutzungsoptionen, abseits des thermodynamischen Gleichgewichtes mit Sauerstoff, zu entwickeln. Basierend auf dieser Tatsache ist es sinnvoll, nur den zusätzlichen (elektrischen) Energiebedarf der einzelnen Prozessrouten zur Herstellung von emissionsarmem Wasserstoff zu vergleichen. Ein wesentliches Ziel der technologischen Entwicklung der Methanpyrolyse besteht folglich in der effektiven, sinnstiftenden Nutzung der Ressource Erdgas bei minimalen Treibhausgasemissionen im Vergleich zur aktuellen Nutzung. Darüber hinaus zielt die Methanpyrolyse insbesondere auch auf eine vollständige Nutzung von Erdgas ab, einerseits durch die Anwendung von Wasserstoff in industriellen Prozessen und andererseits durch die stoffliche Nutzung von festem Kohlenstoff ohne in der Anwendung weitere Emissionen freizusetzen.

Für die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas mittels Dampfreformierung ist ein spezifischer Energieaufwand von etwa 8 bis 11 kWh pro kg Wasserstoff erforderlich [1, 4, 17‐19]. Wird zusätzlich zur Dampfreformierung auch die Abscheidung und Speicherung bzw. Nutzung der anfallenden CO₂-Emissionen implementiert, dann steigt der Energiebedarf in Abhängigkeit der Abscheideeffizienz leicht an. Hier sind zusätzliche Prozessschritte, wie z. B. die kryogene Reinigung oder die Verdichtung für den Transport, ebenfalls zu berücksichtigen, weshalb sich die Schwankungsbreite in Abb. 5 etwas vergrößert.

Für die Elektrolyse ergibt sich ein spezifischer Energiebedarf von etwa 50 bis 55 kWh pro kg Wasserstoff [1, 4, 17]. Dabei zeigen sich nur leichte Unterschiede zwischen verschiedenen Technologien wie der Alkalischen Elektrolyse (AEL) und der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane | Protonen-Austauschmembran). Eine Reduktion des spezifischen Energiebedarfes um etwa 20 % wäre theoretisch durch die Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolyse möglich, wobei diese Technologie in Kombination mit gekoppelten Prozessen mit nutzbarem Energieüberschuss, wie z. B. die Methan- oder Methanolsynthese, besonders vorteilhaft ist [4].

Der spezifische Energiebedarf für die Methanpyrolyse liegt im großtechnischen Maßstab bei etwa 12 bis 15 kWh pro kg Wasserstoff [1, 4]. Ein wesentlicher Parameter ist in diesem Zusammenhang die Reinheit des Produktgases. Bei zu geringer Umsetzung von Methan zu Wasserstoff und festem Kohlenstoff ist eine zusätzliche Gasaufbereitung notwendig. Dies beeinflusst nicht nur den spezifischen Energiebedarf, sondern auch die Investitionskosten. Der Vorteil der Methanpyrolyse besteht darin, dass die Zusammensetzung des Produktgases durch die Wahl der Prozessroute und Prozessparameter im Hinblick auf die jeweilige Anwendung von Wasserstoff abgestimmt bzw. optimiert werden kann.

Der Vergleich des spezifischen Energiebedarfs für die Herstellung von Wasserstoff zeigt, dass bei begrenzter Verfügbarkeit an erneuerbarem Strom durch Methanpyrolyse etwa die vier- bis fünffache Menge an Wasserstoff hergestellt werden kann.

Neben dem ökologischen Fußabdruck und dem spezifischen Energiebedarf spielen ökonomische Gesichtspunkte eine entscheidende Rolle bei der Planung und Umsetzung von Projekten zur Nutzung von Wasserstoff. Wie bereits in Abschn. 2.2 dargestellt, gibt es markante Unterschiede bei den Produktionskosten von Wasserstoff für unterschiedlich Prozessrouten, die auch in sich ebenfalls eine relativ große Spannweite aufweisen. Dies liegt unter anderem in der Tatsache begründet, dass einzelne Projekte zur Wasserstofferzeugung nicht im Sinne der bestmöglichen globalen Nutzung in Bezug auf die Erzeugung erneuerbarer Energie optimiert werden, sondern auf regionale Wasserstoffbedarfe, insbesondere der Industrie, abgestimmt sind. Damit können Transportkosten von Wasserstoff minimiert werden, was bei den geplanten Projekten insgesamt zu einer höheren Wirtschaftlichkeit bei etwas höheren Produktionskosten führt.

In Abhängigkeit der Distanz des Wasserstofftransports kann dieser entweder über Pipelines, mittels Schiffen oder aber auch Trailern erfolgen. Bei jeder Transportart ergeben sich zahlreiche weitere Möglichkeiten, wie unter anderem die Nutzung bestehender Infrastruktur (z. B. Umwidmung bestehender Pipelines für Erdgas), den Transport in Form von flüssigem (kryogenen) Wasserstoff, oder aber auch die Umwandlung in andere Energiemoleküle wie Methanol, Methan oder Ammoniak eventuell gekoppelt mit zusätzlicher Infrastruktur zur Rückwandlung in Wasserstoff. Grundsätzlich zeigen aktuelle Analysen und Prognosen, dass der Transport über größere Distanzen zu teils erheblichen zusätzlichen Kosten für die Nutzung von Wasserstoff an bestimmten Standorten führen kann. Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass der Transport von Wasserstoff mittels Pipelines für kürzere Strecken und großen Mengen wirtschaftlicher im Vergleich zum Schiffstransport ist. Die für die Auswahl des Transportszenarios entscheidende Grenze der Transportdistanz hängt hier von zusätzlichen Faktoren, wie z. B. der Möglichkeit der Nutzung bereits heute bestehender Infrastruktur, ab und liegt nach heutigen Prognosen jedenfalls größer 1000 bis 2000 km [1]. Gemäß jüngsten Prognosen belaufen sich die Transportkosten für Wasserstoff mittels Pipelines im Jahr 2030 im Rahmen des NZE-2050-Szenarios pro 1000 km auf etwa 0,5 bis 2 USD pro kg Wasserstoff. Für den Schiffstransport werden Kosten von etwa 1,7 bis 3,6 USD pro kg Wasserstoff erwartet, wobei die Entfernung eine nahezu vernachlässigbare Rolle spielt [1].

Darüber hinaus spielen regionale bzw. nationale Förderungen, die Möglichkeit zur Nutzung vorhandener Transportinfrastruktur sowie die Entfernung zu geplanten Wasserstoffversorgungsnetzen bei der Umsetzung von Projekten zur Herstellung und Anwendung von Wasserstoff eine wesentliche Rolle [1].

In Abb. 6 wird ein Vergleich der Produktionskosten unterschiedlicher Prozessrouten auf Basis der Daten aus dem Jahr 2024 dargestellt. Die Produktionskosten von Wasserstoff mittels Elektrolyse sind in hohem Maße von den Kosten für die Energiebereitstellung abhängig. Darüber hinaus spielen die Anlagennutzung, insbesondere in Verbindung mit der Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie, sowie die Investitionskosten eine zusätzliche Rolle. Die Produktionskosten von Wasserstoff mittels Methanpyrolyse sind demgegenüber hauptsächlich von den Kosten für Methan abhängig. Die Investitionskosten für die Pyrolyse, die Kosten für die zusätzlich erforderliche elektrische Energie sowie der Erlös von Kohlenstoff beeinflussen die Produktionskosten von Wasserstoff ebenfalls.

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Die Analyse zeigt, dass die Methanpyrolyse eine wirtschaftliche Alternative zu anderen emissionsarmen Produktionstechnologien für die Herstellung von Wasserstoff darstellt. Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, Methan mit der heute vorhandenen Infrastruktur weitläufig zu verteilen und so eine Vielzahl möglicher Industrieprozesse durch eine dezentrale Methanpyrolyse direkt am Standort mit Wasserstoff zu versorgen. Bei entsprechender technologischer Entwicklung der Methanpyrolyse ermöglicht dies unter anderem eine raschere Transformation lokaler Industrie mit kleineren oder mittleren Wasserstoffbedarfen in Regionen mit größerer Entfernung eines in Planung befindlichen Wasserstoffkernnetzes. In diesem Zusammenhang spielen insbesondere wirtschaftliche Aspekte in Verbindung mit der Verfügbarkeit erneuerbarer Energie eine maßgebliche Rolle. Wesentlich ist für diese Überlegungen aber die Tatsache, dass Wasserstoff aus der Methanpyrolyse in der Regel einen deutlich geringeren Reinheitsgrad aufweisen wird und die Verwertung des festen Kohlenstoffs im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit in der Planung und Umsetzung eine zentrale Rolle einnehmen muss.

Die unterschiedlichen Prozesstechnologien der Methanpyrolyse erlauben die Herstellung von Kohlenstoffprodukten mit unterschiedlicher Morphologie und Reinheitsgrad. Unter diesen Prozesstechnologien liefert die Methanpyrolyse im flüssigen Metallbad eine bemerkenswerte Bandbreite, die eine Vielzahl an potenziellen Kohlenstoffprodukten ermöglicht. Diese Bandbreite ist abhängig von der jeweiligen Legierungszusammensetzung und den gewählten Prozessparameter. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, flexibel auf geänderte Bedarfe in potenziellen Kohlenstoffmärkten zu reagieren und somit die zusätzliche Wertschöpfung durch festen Kohlenstoff leichter zu realisieren. Die Pyrolyse mittels Plasma ermöglicht dagegen eine insgesamt höhere Kohlenstoffqualität.

Aus der Perspektive einer nachhaltigen Produktion ist in diesem Zusammenhang die Verwertung des Kohlenstoffprodukts aus der Methanpyrolyse von entscheidender Bedeutung. Für jedes Kilogramm Wasserstoff fallen drei Kilogramm Kohlenstoff, größtenteils mit geringer Schüttdichte, an. Mögliche Anwendungen umfassen einerseits Hightech-Anwendungen, wie beispielsweise Hochleistungswerkstoffe, Energiespeichersysteme wie Superkondensatoren oder mikroporöse Tanks auf Kohlenstoffbasis für die Wasserstoffspeicherung, wobei letztere jedoch voraussichtlich nur in geringen Mengen benötigt werden. Darüber hinaus sind Massenanwendungen von Kohlenstoff mit deutlich geringerem Deckungsbeitrag von Relevanz, wie beispielsweise die Bodenverbesserung in der Landwirtschaft oder die Verwendung als Rohstoff für die Herstellung nachhaltiger Baumaterialien. Die genannten Verwertungsoptionen von Kohlenstoff können in verschiedenen Bereichen einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten.

Die Anwendung von Kohlenstoff in der Landwirtschaft ist besonders vielversprechend. Der Kohlenstoff aus der Methanpyrolyse zeigt beim Einbringen in die oberste Bodenschicht eine ähnliche Wirkung wie Biokohle, nämlich die Verbesserung der Wasserhaltekapazität und der Nährstoffspeicherung. Damit einhergehend zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Resilienz von Pflanzen gegenüber Trockenstress. Ein wesentlicher Parameter für die Anwendung von Kohlenstoff in der Landwirtschaft ist die chemische Zusammensetzung bzw. die Abwesenheit von Schwermetallen oder polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) [21‐23]. Der in den Boden eingebrachte Kohlenstoff trägt zusätzlich zum Aufbau von Humus in degradierten Böden bei und hat so das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Bodengesundheit zu leisten [24]. Die Anwendung von Kohlenstoff im Boden führt zu keinen zusätzlichen Emissionen; der Kohlenstoff bleibt dauerhaft im Boden gebunden, wie z. B. auch bei den Terra preta Böden im Amazonas. Durch die erhöhte Nährstoffspeicherung in der obersten Bodenschicht durch den Kohlenstoff wird einerseits das Auswaschen von Nährstoffen in tiefergelegene Bodenschichten bzw. das Grundwasser deutlich verringert. Andererseits folgt aus der Anwendung von Kohlenstoff im Boden auch ein mögliches Einsparungspotenzial von künstlichem Dünger, was wiederum einen positiven Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen leisten kann [21‐23].