Pyrolyse als eine aussichtsreiche Technologie der klimafreundlichen Wasserstofferzeugung


Autor: Anton Irmen, Fachverantwortlicher Forschung und Entwicklung, VNG AG

Wasserstoff ist das auf der Erde am meisten verbreitete Element, kommt jedoch nicht in nennenswerten Mengen frei vor, sondern muss unter Aufwendung von Energie aus Ausgangsstoffen erzeugt werden. Das heute am weitesten verbreitete Verfahren, die Wasserdampf-Reformierung, stellt Wasserstoff aus fossilen Energieträgern unter erheblichem CO2-Ausstoß her. Bei der Produktion von einer Tonne Wasserstoff aus diesem Prozess entstehen je nach Wirkungsgrad der Anlage rund acht bis elf Tonnen CO2.

Wenn das bei der Erzeugung von Wasserstoff entstehende CO2 abgefangen wird, bevor es in die Atmosphäre entweicht, kann es sicher transportiert und gelagert werden, wie Norwegen schon seit 1996 am Beispiel des Erdgasfeldes „Sleipner“ demonstriert (= sogenannter „blauer Wasserstoff“). Hier wird von Natur aus in dieser speziellen Erdgaslagerstätte vorkommendes CO2 aus dem Erdgas abgetrennt und in unterirdische Speicherhorizonte verbracht.

Die bekannteste Technologie zur Erzeugung von CO2-frei produziertem Wasserstoff ist die Elektrolyse. Elektrolytisch mit Strom aus erneuerbaren Energien produzierter Wasserstoff ist unter der Bezeichnung „grüner Wasserstoff“ bekannt. Bei der Elektrolyse wird elektrischer Strom eingesetzt, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Allen Elektrolyseverfahren ist gemeinsam, dass ihre Wirkungsgrade 70 % nicht überschreiten, d. h., dass nur 70 % der eingesetzten Energie in Wasserstoff überführt werden; 30 % hingegen fallen als Wärme an.

Die am wenigsten bekannte und eingesetzte Technologie zur Wasserstofferzeugung ist die Methanpyrolyse: Hier wird Erdgas unter Zugabe von Hitze gespalten. Dabei entsteht Wasserstoff und fester Kohlenstoff (= sogenannter türkiser Wasserstoff). Damit das Verfahren CO2-neutral ist, muss auch hier die Energieversorgung des Pyrolysereaktors mit Energie aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Der große Vorteil der Pyrolyse ist, dass sie im Vergleich zur Elektrolyse erheblich weniger elektrischen Strom zur Herstellung der gleichen Menge an Wasserstoff braucht, da sich die Bindungen zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff im Methan (CH4) wesentlich leichter lösen lassen als die Bindungen zwischen Sauerstoff und Wasserstoff im Wasser (H2O). In der Literatur kursieren verschiede Zahlen dafür, wie groß der Unterschied im Energieverbrauch tatsächlich ist; in der Praxis kann man davon ausgehen, dass die Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff aus Pyrolyse nur ein Fünftel der Elektrischen Energie benötigt, die für ein Kilogramm Wasserstoff aus der Elektrolyse aufgewendet werden muss. Angesichts der Knappheit von erneuerbarem Strom und den Diskussionen über Flächenverbrauch von Photovoltaik und Windstrom ist hier also ein ganz erhebliches Einsparpotenzial vorhanden.

Die Technologie ist heute noch nicht reif für den großindustriellen Einsatz; die technische Entwicklung macht aber Fortschritte. Größere Anlagen existieren heute in den USA und in Australien; in Deutschland werden die ersten Demonstrationsanlagen in den nächsten Jahren in Betrieb gehen. Eine Chance, aber auch eine Herausforderung ist der beim Prozess anfallende feste Kohlenstoff.

Er muss langfristig gebunden werden, damit kein CO2 freigesetzt wird. Das kann beispielsweise durch den Einsatz des Materials in der Bau- oder Werkstoffindustrie oder im Straßenbau erreicht werden. Denkbar sind auch Anwendungen als Mittel zur Verbesserung der Eigenschaften von Ackerböden. Bei der großskaligen Produktion von Wasserstoff mittels Pyrolyse können diese Kohlenstoffsenken jedoch an die Grenzen ihrer Kapazitäten kommen und mittelfristig das Limit beim Einsatz von Wasserstoff aus Pyrolyse bilden, solange bis dahin keine anderen Verwendungsmöglichkeiten gefunden worden sind.

Alles in allem ist die Pyrolyse eine Technologie, die es verdient hat, beachtet und weiter entwickelt zu werden, da sie so effizient mit dem knappen Gut der Elektrizität aus erneuerbaren Quellen umgeht. Sie kann ihre individuellen Stärken mittelfristig vielleicht am besten als dezentraler Erzeuger von Wasserstoff vor Ort ausspielen, solange noch keine flächige Möglichkeit von netzgebundenem Wasserstoffbezug besteht, während sich andere Herstellungsweisen von Wasserstoff eher als zentrale Erzeuger anbieten. Zum Abschluss noch einmal eine kurze Gegenüberstellung der Stärken und Schwächen der Technologien: