Das Competence Center für erneuerbare Energien und Energieeffizienz (CC4E) der HAW Hamburg, die Iplas GmbH sowie die Hamburger Energienetze arbeiten gemeinsam im Forschungsvorhaben MEDEA (Methan-Dekarbonisierung mittels Mikrowellen-Niedertemperatur-Plasmacracking). Im Mittelpunkt steht eine neue Methode, nachhaltigen Wasserstoff herzustellen und dabei Kohlenstoff abzuscheiden. Hans Schäfers, Leiter des CC4E, erläutert Vorteile und Herausforderungen des neuen Verfahrens.
Herr Schäfers, das Projekt MEDEA fokussiert sich auf die klimafreundliche Herstellung von Wasserstoff. Was macht diese Technologie so besonders und warum ist sie ein so wichtiger Schritt für die Wasserstoffwirtschaft?
Für eine erfolgreiche Energiewende brauchen wir Wasserstoff – viel Wasserstoff. Die Hamburger Energienetze errichten bis 2027 das Hamburger Wasserstoff-Industrie-Netz HH-WIN, das CC4E begleitet wichtige Technologieentwicklungen. In Anbetracht des steigenden Bedarfs sowie der aktuell langsam steigenden Elektrolyseur-Kapazitäten ist mit einer Versorgungslücke für grünen Wasserstoff zu rechnen. Hier könnte das Plasmacracking von Biomethan eine innovative Lösung als Brückentechnologie bieten. Die Technologie ermöglicht die Produktion von Wasserstoff aus Methan, also Erdgas, ohne dass dabei CO2-Emissionen entstehen – bei Einsatz von grünem Strom und Biogas ein klimaneutraler Wasserstoff. Außerdem wird bei der Produktion des Wasserstoffs elementarer Kohlenstoff abgeschieden. Verwendet man Methan aus Biogas ist das Verfahren durch den Austrag des Kohlenstoffs sogar CO2-negativ, kompensiert also CO2 Emissionen, die gegebenenfalls an anderer Stelle entstehen. Wird der abgeschiedene Kohlenstoff langfristig aus dem Kreislaufsystem entfernt und deponiert, könnten durch das Verfahren mittelfristig also Klimagasemissionen kompensiert werden, die nur schwer vermeidbar sind, zum Beispiel die, die in der Landwirtschaft oder der Zement- und Aluminiumherstellung entstehen.
Die Mikrowellen-Niedertemperatur-Plasmacracking-Technologie gilt als neu und innovativ. Können Sie uns bitte mehr darüber erzählen, wie genau der Prozess funktioniert und welche Vorteile er gegenüber traditionellen Methoden wie der Dampfreformierung oder Elektrolyse bietet?
Beim Mikrowellen-Niedertemperatur-Plasmacracking wird über eine Industriemikrowelle Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 2,45 GHz oder 915 MHz erzeugt. Diese wird gezielt in die Plasmakammer der Anlage eingekoppelt, wo sie, bei relativ niedriger Temperatur, ein großvolumiges Mikrowellenplasma mit hoher Energiedichte erzeugt, welches das Methan aufspaltet. Das Alleinstellungsmerkmal bei durch Mikrowellen angeregten Plasmen ist, dass die Energie aus der Mikrowelle nur auf die Elektronen übertragen wird, da die Ionen im Plasma aufgrund ihrer hohen Masse zu träge sind, um Energie aufzunehmen.
Im Kern sind die Vorteile gegenüber der bisher überwiegend praktizierten Dampfreformierung, dass keine CO2-Emissionen entstehen und rund 40 Prozent weniger Energie gebraucht wird. Gegenüber der Elektrolyse, bei der ja auch keine CO2-Emissionen entstehen, ist der Effizienzvorteil sogar noch größer: Der Strombedarf beim Plasmacracking liegt 85 Prozent niedriger als bei der Elektrolyse.
Das Verfahren hat zudem noch weitere Vorteile: Die Mikrowellentechnik erlaubt eine schnelle Reaktion auf das reale Angebot an erneuerbarem Strom, wodurch eine flexible Betriebsweise möglich ist. Der Prozess ist außerdem gut für modulare Anwendungen geeignet und kann leichter an unterschiedliche Produktionsanforderungen angepasst werden, was ihn zu einer vielseitigen Lösung für verschiedene Industrien macht. Und im Gegensatz zur Dampfreformierung bietet das Plasmacracking eine dezentrale Lösung zur Wasserstofferzeugung. Das könnte insbesondere für die Versorgung dezentraler Regionen mit klimafreundlichem Wasserstoff eine Rolle spielen, wenn dadurch transportbedingte, finanzielle Aufwände und Emissionen gesenkt werden können.
Welche spezifischen Forschungsergebnisse erhoffen Sie sich von der geplanten Testphase der Anlage? Welche Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt?
Während die Dampfreformierung ein etabliertes, großtechnisches Verfahren ist, steht das Plasmacracking noch am Anfang seiner Entwicklung. Uns geht es bei MEDEA darum, Erfahrungen rund um die Prozesse im Reaktor zu sammeln und die Parameter für eine hohe Prozesseffizienz zu verstehen. Die geplante Testphase soll Erkenntnisse liefern, die wichtig für die Weiterentwicklung, Optimierung und vor allem auch die Skalierung der Technologie sind. Ein wichtiges Thema ist dabei zum Beispiel die Zusammensetzung des Gasgemisches auf der Produktseite des Prozesses.
Darüber hinaus wird die Qualität der erzeugten Produkte bewertet: Hierzu zählen die Reinheit des Wasserstoffs und die physikalischen sowie chemischen Eigenschaften des abgeschiedenen Kohlenstoffs, wie Partikelgröße und Struktur. Durch die Testphase sollen somit nicht nur technische Herausforderungen adressiert werden, sondern auch die langfristigen, ökologischen und ökonomischen Potenziale der Plasmacracking-Technologie für die Wasserstoffwirtschaft aufgezeigt werden.
Inwieweit wird durch die Nutzung von Biomethan im Plasmacracking-Prozess die Technologie CO₂-negativ? Welche Rolle spielt der Kohlenstoff, der als Nebenprodukt entsteht?
Biomethan wird aus biogenen Quellen wie landwirtschaftlichen Abfällen, organischen Reststoffen oder Klärschlamm gewonnen. Pflanzen, aus denen die Biomasse gewonnen wird, nehmen während ihres Wachstums CO₂ aus der Atmosphäre auf. Im Plasmacracking-Prozess wird das Biomethan dann in Wasserstoff und festen Kohlenstoff aufgespalten. Durch die Abtrennung des Kohlenstoffs wird dieser aus dem natürlichen Kreislauf entfernt. Wird dieser Kohlenstoff langfristig gelagert, kann das CO2 aus der Atmosphäre dauerhaft aus dem Kreislauf entfernt werden. Unter der Voraussetzung, dass die Plasmacracking-Anlage mit erneuerbarem Strom betrieben wird, kann der Prozess somit CO₂-negativen Wasserstoff erzeugen.
In einer ersten Phase, also kurzfristig, würde man den Kohlenstoff aus Biomethan aber vermutlich lieber als Rohstoff in der Industrie verwenden. Da heißt reiner Kohlenstoff "Industrieruß" oder "Carbon Black". Dieser wird heute mit einem CO2-Footprint von 3,5 kg CO2/kg Carbon Black unter relativ hohen CO2-Emissionen hergestellt. Unser Carbon Black aus Biomethan wäre klimaneutral.
Carbon Black ist ein vielseitig einsetzbarer Industrierohstoff, der vor allem in der Reifen- und Kunststoffindustrie als Füllstoff und Verstärkungsmaterial verwendet wird. Es ist ein Vorprodukt vieler chemischer Produktionsverfahren, er wird beispielsweise als Pigmentstoff in der Farbenherstellung eingesetzt. Der abgeschiedene Kohlenstoff könnte für diese industriellen Anwendungen genutzt werden und Carbon Black substituieren, das derzeit im Zuge des herkömmlichen, sehr emissionsintensiven Produktionsverfahrens, dem sogenannten "Furnace-Prozess", hergestellt wird. Das globale Marktvolumen von Carbon Black liegt derzeit bei rund 15 Millionen Tonnen pro Jahr. Tendenz steigend: Für 2030 wird ein Bedarf von ca. 17 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt. Dieses Marktvolumen könnte bei einem Hochlauf der Plasmacracking-Technologie relativ schnell erreicht werden. Danach sollten weitere Nutzungs- und Verwertungsrouten für das Plasmacracking-Carbon-Black identifiziert werden. Die langfristige Speicherung des Kohlenstoffs in Kombination mit der Einbindung in den CO₂-Zertifikatehandel könnte dabei ein mögliches neues Geschäftsmodell darstellen und attraktive zusätzliche Anreize für den Einsatz der Technologie schaffen.
Die Plasmacracking-Anlage kann modular skaliert werden. Was bedeutet das für die industrielle Anwendung dieser Technologie? Wie lassen sich größere Kapazitäten aufbauen, um die wachsende Nachfrage nach Wasserstoff zu decken?
Zunächst: Das Mikrowellen-Plasmacracking-Verfahren bietet eine wertvolle Ergänzung zur Wasserstoffversorgung: Es sollte jedoch nicht als alleinige Lösung betrachtet werden.
Für die industrielle Anwendung der Plasmacracking-Technologie bedeutet die modulare Skalierbarkeit, dass sie flexibel an verschiedene Marktsegmente mit dessen verschiedenen Anforderungen und Rahmenbedingungen angepasst werden kann. Anlagen können in der unmittelbaren Nähe zu Biomethanquellen oder Carbon-Black-"Verbrauchsorten" installiert werden. Hierdurch können insbesondere transportbedingte Kosten und damit verbundene Emissionen eingespart werden. Besonders in Regionen mit guter Verfügbarkeit von biogenen Rohstoffen und begrenzter Infrastruktur für eine zentralisierte Wasserstoffproduktion kann das vorteilhaft sein.
Die Technologie ist sowohl für kleine dezentrale Anlagen als auch für große Produktionsstätten geeignet. Dadurch, dass die Gesamtleistung der Anlage schrittweise erhöht werden kann, sind keine umfangreichen Anpassungen an der bestehenden Infrastruktur notwendig. Betreiber haben die Möglichkeit, mit kleineren Anlagen zu beginnen und die Kapazität bei steigender Nachfrage durch das Hinzufügen weiterer Module zu erweitern. Das minimiert das Investitionsrisiko und erleichtert den Einstieg in die Nutzung der Technologie.
Die Skalierbarkeit der mikrowellenbasierten Plasmacracking-Technologie ist zum Teil abhängig von der Verfügbarkeit entsprechender Mikrowellentechnik und deren Leistungs- und Frequenzbereichen.
Welche Herausforderungen sehen Sie bei der Skalierung der Technologie auf eine größere Produktionsgröße? Gibt es technische oder wirtschaftliche Hürden, die überwunden werden müssen?
Zu den technischen Herausforderungen zählt insbesondere die eingeschränkte Skalierfähigkeit der Mikrowellengeneratoren: Mikrowellen mit höheren Leistungen bieten bessere Wirkungsgrade, sind jedoch aktuell noch ein Nischenprodukt. Es gibt keine Nachfrage und daher auch keine Hersteller.
Ein Upscale einzelner Module ist daher derzeit begrenzt auf verfügbare Mikrowellengeneratoren mit einem Leistungsbereich bis 100 kW bei einer Anregungsfrequenz von 915 MHz. Größere Produktionskapazitäten können nur durch die parallele Installation mehrerer solcher Module realisiert werden. Eine solche 100-kW-Pilotanlage (mit einem Platzbedarf von circa 2,5 m²) wird derzeit in einem weiteren Forschungsprojekt "Plasma2X" des CC4E der HAW Hamburg aufgebaut und erprobt. Man kann also derzeit die Gesamtleistung nur durch Stacking mehrerer Module erhöhen.
Es braucht zudem zusätzliche Forschung und Entwicklung, um die Effizienz und Langlebigkeit der Anlagen weiter zu verbessern. Neuere Ansätze, wie die Solid-State-Mikrowellentechnologie, könnten hierbei vielversprechende Lösungen bieten.
Mit größeren Produktionskapazitäten steigt auch die Menge des erzeugten Carbon Blacks, was neue Herausforderungen für dessen Handhabung und Nutzung mit sich bringt. Es ist entscheidend, standardisierte Verfahren und Infrastrukturen zu entwickeln, um den Kohlenstoff möglichst langfristig und sicher zu transportieren und zu deponieren. Für den Transport bietet sich die Pelletierung an, für die Speicherung könnten beispielsweise geologische Speicherlösungen oder innovative, möglichst langlebige Materialanwendungen, wie der Einsatz in der Bauindustrie, eine Rolle spielen. Ebenfalls wird der Einsatz des Kohlenstoffs als Bodenstrukturverbesserer in der Landwirtschaft untersucht.
Grauer Wasserstoff aus der Dampfreformierung dominiert derzeit den Markt aufgrund seiner geringen Kosten, deshalb ist es entscheidend, dass der durch Plasmacracking erzeugte Wasserstoff wirtschaftlich konkurrenzfähig wird, um eine nachhaltige Alternative bieten zu können. Ein Weg zur wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit könnte darin bestehen, die Technologie in den CO₂-Zertifikatehandel einzubinden. Dies erfordert eine Erweiterung und Anpassung der Zertifikatsmechanismen, mit der Möglichkeit, die Abscheidung und Deponierung des Plasmacracking-Kohlenstoffs zu berücksichtigen. Um einen starken wirtschaftlichen Anreiz für die Nutzung dieser Negativemissionstechnologie (NET) bei der Aufspaltung von Biomethan zu schaffen, wäre, auch für dieses Verfahren, ein höherer Preis pro eingesparter Tonne CO₂ notwendig. Dies würde die Attraktivität der Technologie für Unternehmen noch einmal steigern.
Was sind die nächsten Schritte, um diese Technologie zur Marktreife zu bringen? Welche Maßnahmen sind notwendig, um sie für eine breitere industrielle Anwendung zu etablieren?
Die Entwicklung technischer Lösungen wie einer automatischen Ausschleusung des Carbon Blacks und einer effizienten Membrantrennung zur Rezyklierung des Produktgases ist essenziell, um die Effizienz der Anlage zu steigern und den Betrieb zu vereinfachen. Ein ausführlicher Testbetrieb der Anlage steht im Mittelpunkt der nächsten Entwicklungsphase. Auch die Durchführung von Langzeittests ist notwendig, um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Plasmacracking-Anlage unter realen Betriebsbedingungen sicherzustellen.
Ein nächster, weiterer Schritt besteht in der Durchführung von Demonstrationsprojekten in gewerblichem Maßstab, zum Beispiel der Integration der Mikrowellen-Plasmacracking-Anlage in einen Anlagenverbund mit einer Biogasanlage und einer Biomethanaufbereitungsanlage, mit dem Ziel, die Machbarkeit und die Effizienz der Technologie in einem industriellen Anwendungsszenario zu demonstrieren und zu validieren.
Welche Entwicklungen und Fortschritte müssen in den kommenden Jahren erzielt werden, um das Verfahren auf breiterer Ebene einzusetzen und als eine wettbewerbsfähige Lösung für die Wasserstoffproduktion zu etablieren?
Ein erfolgreiches Upscaling der Anlagentechnologie ist entscheidend, um größere Produktionsmengen zu ermöglichen und die Technologie für industrielle Anwendungen attraktiv zu machen. In Verbindung damit könnte die Weiterentwicklung von Mikrowellengeneratoren mit größerer Leistung, höheren Wirkungsgraden und präziser Regelbarkeit die Massentauglichkeit weiter voranbringen. Die Nutzung der entstehenden Abwärme durch innovative Wärmerückgewinnungssysteme könnte außerdem dazu beitragen, den Gesamtwirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit der Technologie zu erhöhen.
Ebenso ist die Entwicklung und Etablierung eines Kohlenstoffmanagements essenziell: Systeme zur Sammlung, Lagerung und Weiterverwertung des entstehenden, festen Kohlenstoffs müssen entwickelt und implementiert werden. Insbesondere die Identifikation und Evaluierung langfristiger Lagermöglichkeiten für den abgeschiedenen Kohlenstoff wird erforderlich, um dessen sichere Deponierung und damit die CO₂-Negativität des Prozesses zu gewährleisten.
Das Interview führte Ariane Mohl
