„Beim Methan-Cracking wird das Gas durch ein Mikrowellenplasma geleitet, das den Wasserstoff vom Kohlenstoff trennt. Es entstehen also zwei Rohstoffe, die aufgefangen und weiterverwendet oder vermarktet werden können. Diese Vorgehensweise funktioniert bislang im Labormaßstab mit Erdgas. Wir wollen das Verfahren nun um Biomethan als Ausgangsstoff erweitern, das in Biogas- und Deponiegasanlagen erzeugt wird. Zudem möchten wir eine Anlagengröße realisieren, wie sie in der Praxis benötigt wird. Beides stellt unser Forschungskonsortium vor große Herausforderungen“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Peter Stenzel vom Cologne Institute for Renewable Energy der TH Köln.
Biogas statt Erdgas stellt neue Anforderungen an den Prozess
Das von den assoziierten Partnern Bergischer Abfallwirtschaftsverband und AVEA GmbH & Co. KG bereitgestellte Biogas stammt aus Anlagen, die mit Material aus der Biotonne gefüttert werden und ist somit als weitgehend CO2-neutral anzusehen. „Im Gegensatz zu Erdgas enthält Biogas zahlreiche Nebenstoffe. Wir stehen also vor der Aufgabe, eine Gasaufbereitung vorzuschalten und den Produktionsprozess so robust zu gestalten, dass kleinere Verunreinigungen und Gasbestandteile wie Stickstoff kein Problem darstellen. Gelingt uns dies, wollen wir die Anlage auch mit Gas betreiben, das auf Mülldeponien entsteht und in Bezug auf die Gaszusammensetzung noch herausfordernder ist“, erläutert der wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. Patrick Beuel.
Containerlösung für den Praxistest auf :metabolon
Der für das Biogas-Cracking benötigte Mikrowellenreaktor wird vom Industriepartner iplas GmbH zur Verfügung gestellt. Innerhalb des Projekts wird iplas seinen aktuellen Laborreaktor weiterentwickeln, um den Einsatz in der Praxis zu ermöglichen. „Es ist absolut faszinierend, wie das transparente Biomethan durch das Mikrowellenplasma geleitet wird und auf einmal der abgetrennte Kohlenstoff als feines Pulver herabrieselt“, beschreibt Beuel. Das so gewonnene Carbon Black liegt anschließend in Form von Nanopartikeln vor und ist hochreaktiv. Mehrere hundert Kilogramm davon könnten im Industriemaßstab täglich anfallen. Die ayxesis GmbH sorgt im Vorhaben dafür, dass die Kohlenstoffpartikel kontinuierlich abgeschieden, ausgeschleust und automatisch luftdicht verpackt werden können. Je nach Qualität könnte das Material bei der Herstellung von leitfähigen Kunststoffen sowie Batterien oder Brennstoffzellen eingesetzt oder auch als Bodenverbesserer und damit als Ersatz von Düngemittel verwendet werden.
„Unsere größte Herausforderung angesichts des nicht immer absolut reinen Ausgangsmaterials und des schwierig zu handhabenden Carbon Black ist es, einen kontinuierlichen Prozess darzustellen, der im realen Einsatz rund um die Uhr laufen muss“, betont Stenzel. Die Brockhaus Lennetal GmbH verantwortet als weiterer Partner die verfahrenstechnische Gesamtauslegung und die Entwicklung einer integrierten sowie mobilen Containerlösung, die alle Funktionen beinhaltet und den Hallenbau vor Ort überflüssig macht. Die TH Köln als Konsortialführerin begleitet die Entwicklung und den Bau der Gesamtsystemlösung, welche am Lehr- und Forschungszentrum :metabolon entsteht, führt die Messkampagne durch, prüft die Qualität aller Produkte und ermittelt die CO2-Bilanz sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Das Ziel: Goldener Wasserstoff
Wasserstoff wird je nach Herstellungsart in ein Farbschema eingeordnet. So steht grau für die Produktion mittels Dampfreformierung von Erdgas oder türkis für die Herstellung mittels Pyrolyse. „Die ‚beste‘ Variante ist bislang der grüne Wasserstoff, der klimaneutral mit regenerativem Strom in Elektrolyseuren hergestellt wird. Dies wird unserem Projektziel aber nicht gerecht, da wir beim Plasma-Cracking von Biomethan der Atmosphäre sogar CO2 entziehen. Man könnte also von ‚goldenem Wasserstoff‘ als neue Kategorie für Wasserstoff mit einem negativen CO2-Fußabdruck sprechen“, so Stenzel.
Über das Projekt
Das Forschungsvorhaben H2MikroPlas (CO2-negativer Wasserstoff aus regenerativen Gasen mittels Mikrowellen-Plasma-Cracking) wird bis März 2028 durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen aus Mitteln des EFRE/JTF-Programms NRW (Innovationswettbewerb Energie.IN.NRW) mit rund 3,2 Mio. € gefördert (Förderkennzeichen: EFRE-20800787).
