Physik-Nobelpreisträger Carlo Rubbia besucht das KIT
Martin Lober
Im Karlsruher Flüssigmetalllabor Kalla bauen Forscher in den kommenden Monaten einen neuartigen Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor auf, der eingeleitetes Methan unter hoher Temperatur in Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff zerlegt.
Ziel des Projektes, an dem das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beteiligt ist, ist die Herstellung von Wasserstoff aus Methan, ohne dass bei diesem Prozess Kohlendioxid entsteht. Das KIT fungiert in diesem Projekt als Partner des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam.
Aus fossilen Brennstoffen Energie gewinnen, ohne dabei den Ausstoß von klimaschädlichem Kohlendioxid zu verursachen - diese Vision könnte durch das Forschungsprogramm "Verbrennung von Methan ohne CO2-Emissionen" Wirklichkeit werden. Seit Ende 2012 ist das KIT Partner in dem Programm, das zum Cluster "Erdsystem, Energie und Umwelt" (E³) am Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam gehört. Das IASS ist ein Institut an dem sich Wissenschaftler international und transdisziplinär mit Spitzenforschung zu Klimawandel, Nachhaltigkeit und Energiesicherheit befassen.
Verfügbar ist Wasserstoff in gebundener Form; in Wasser (H2O) oder in Kohlenwasserstoffen wie in Erdöl, Erdgas oder Kohle. Zur Gewinnung muss Wasserstoff zunächst abgespalten werden. Bei herkömmlichen Trennverfahren entsteht dabei Kohlendioxid. Die heutige weltweite Wasserstoffproduktion verursacht rund fünf Prozent der globalen CO2-Emissionen, berichten die Experten am KIT.
Zur CO2-freien Wasserstoffherstellung setzt das Projekt uf die thermische Zerlegung von Methan in einem Hochtemperatur-Blasensäulenreaktor. Damit betreten die Karlsruher Forscher nach eigenen Angaben wissenschaftliches Neuland. "Mit dem Projekt haben wir die Chance, an der Entwicklung von Grundlagen für eine völlig neue Energietechnologie mitzuwirken", erklärt Professor Thomas Wetzel, Leiter des Kalla. "Sollte sich die Machbarkeit bestätigen lassen, würde die nachhaltige Herstellung und Nutzung von Wasserstoff sogar aus fossilen Quellen möglich, die bei konventioneller Nutzung klimaschädlich wären."
Der Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor, der in den kommenden Monaten am Kalla entsteht, ist eine senkrecht stehende Säule von rund einem halben Meter Höhe mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern. Gefüllt ist die Säule mit flüssigem Metall, das bis auf 1000 °C erhitzt wird. Durch einen porösen Körper am unteren Ende wird Methan in feinen Bläschen eingeleitet. Diese steigen an die Oberfläche. "Bei solch hohen Temperaturen zerfällt das Methan in den aufsteigenden Bläschen zunehmend in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff", erklärt Thomas Wetzel. "Wir werden untersuchen, wie viel Wasserstoff wir durch geschickte Prozessgestaltung tatsächlich gewinnen können. "
Mit dem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor bauen die KIT-Forscher auf früheren Arbeiten von Professor Carlo Rubbia, Nobelpreisträger und wissenschaftlicher Direktor des IASS, und Professor Alberto Abánades vom IASS auf. Sie hatten die thermische Zerlegung von Methan in einem Gasphasenreaktor durchgeführt. Bei dieser Gasphasenreaktion setzt sich der entstehende Kohlenstoff jedoch an den Reaktorwänden ab. Damit werden die Gaskanäle nach kurzer Zeit blockiert, sodass kein kontinuierlicher Prozess möglich ist. "In dem nun mit den IASS-Kollegen geplanten Reaktor übernimmt die Hülle der Bläschen die Rolle der Wand", erläutert Wetzel. "Erst wenn die Bläschen an der Oberfläche des flüssigen Metalls platzen, wird Kohlenstoff frei. Die Reaktorwand erneuert sich sozusagen immer wieder." Ein ähnliches Vorgehen wurde erstmals von Forschern um Manuela Serban in einer Arbeit aus dem Argonne National Lab (USA) vor etwa zehn Jahren beschrieben. Das Verfahren ist seitdem aber nicht weiterentwickelt worden.
Nach dem Aufbau des Versuchsreaktors wollen die KIT-Wissenschaftler noch in diesem Jahr die Wirkung verschiedener Einflussparameter auf die Prozessführung und die mögliche Wasserstoffausbeute untersuchen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten am KIT soll auf grundlegenden wissenschaftlichen Fragen, wie beispielsweise nach der Identifizierung der Reaktionspfade, welche die Zusammensetzung des Produktgasstroms beeinflussen und nach Möglichkeiten, den Kohlenstoff aus dem Reaktor zu entfernen, liegen. Parallel dazu befassen die Forscher sich mit der Materialauswahl für mögliche zukünftige industrielle Reaktoren, der Filtertechnik und der Entwicklung von Sonden für eine spätere kontinuierliche Prozessführung.