Headline: Methan-Cracken – eine vielversprechende Brückentechnologie auf unserem Weg zur Dekarbonisierung

Die Deckung des globalen Energiebedarfs stellt eine zentrale Herausforderung für den Klimaschutz dar. Denn das heutige Energiesystem wird von fossilen Brennstoffen dominiert, die erhebliche Mengen CO2 in die Atmosphäre freisetzen. Der Energiesektor trägt über 75 Prozent zu den globalen Treibhausgasemissionen bei, ist also für den Großteil der anthropogenen Emissionen verantwortlich.[1] Um einen gefährlichen Klimawandel abzuwenden, ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir eine globale Energiewende weg von fossilen Brennstoffen, hin zu kohlenstoffarmer, nachhaltiger Energie herbeiführen. Natürlich stellt uns die Energiewende vor enorme Aufgaben. Brückentechnologien, mit denen eine sauberere fossile Technologie eine schmutzigere ersetzt, bieten einen realistischen Ansatz für die Energiewende.

Hinter Brückentechnologien steht die Logik, es sei unrealistisch, sofort auf die Nutzung von fossilen Brennstoffen zu verzichten. Falls fossile Brennstoffe kurzfristig weiterhin im Einsatz sind, sollten pragmatische Verfahren zur Reduzierung von Treibhausgasen und Schadstoffemissionen angewendet werden. Dies wird das Ausmaß der Klimaschäden durch fossile Brennstoffe verringern, bis es wirtschaftlich machbar ist, fossile Brennstoffe vollständig durch erneuerbare Energieträger zu ersetzen. Wenn zudem Brückentechnologien die Entwicklung einer erneuerbaren Energieinfrastruktur erleichtern können, die weiter genutzt werden kann, nachdem einzelne Brückentechnologien ausgelaufen sind, trägt auch das zum Klimaschutz bei.

Beim Methan-Cracken entsteht als Nebenprodukt fester schwarzer elementarer Kohlenstoff. © KIT

Methan-Cracken ist eine vielversprechende neue Methode, die diesen Zweck erfüllen kann. Bei diesem Verfahren wird Methan bei hohen Temperaturen in seine molekularen Bestandteile zerlegt – Wasserstoff und reiner Kohlenstoff (siehe unten). Ein wichtiger Faktor ist, dass die Reaktion, weil sie unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet, keinerlei CO2-Emissionen freisetzt. Der erzeugte Wasserstoff dient als Energieträger, während der Kohlenstoff für die kommerzielle Nutzung, zum Beispiel die Herstellung von Kohlenstofffasern, bereitsteht. Alternativ kann er ohne weiteres für die künftige Nutzung gelagert werden. Die aktuelle Forschung zeigt, dass Methan-Cracken ein praktikabler Prozess ist, und unsere neuesten Ergebnisse, bisher noch unveröffentlicht, demonstrieren, dass diese Technologie durchaus in industriellem Maßstab angewendet werden kann.

CH4 -> C + 2 H2

Wasserstoff besitzt als nachhaltiger Treibstoff großes Potenzial. Er weist eine hohe gewichtsbezogene Energiedichte auf, und nach der Stromerzeugung oder Verbrennung bleibt nur Wasser zurück. Weil er selbst kein Treibhausgas ist und keine langlebigen Treibhausgase erzeugt und weil er aus nachhaltigen Energiequellen gewonnen werden kann (z.B. mittels Elektrolyse, unterstützt durch erneuerbare Energien), ist Wasserstoff in der Lage, im Energiesektor Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Überdies besitzt die Wasserstoff-Brennstoffzelle im Vergleich zum Verbrennungsmotor eine hohe Energieeffizienz, und damit eignet sich Wasserstoff hervorragend, um die Emissionen im Transportsektor zu vermindern.

Wegen der vielen Vorteile von Wasserstoff wurde eine „Wasserstoffwirtschaft“ angeregt, in der Wasserstoff als einer der Hauptenergieträger den globalen Energiebedarf befriedigen soll. Zwar erhielt die Wasserstoffwirtschaft in den Medien sehr viel Aufmerksamkeit und die US-amerikanische Regierung hat zu Beginn der 2000er Jahre sehr viel Geld in die Forschung gesteckt, aber der Hype ist letztlich abgeflaut und der Großteil der Gelder ist in den USA seither in Elektrofahrzeuge geflossen. Diese Kehrtwende kam dadurch zustande, dass Transport, Verteilung und Speicherung von Wasserstoff wegen seiner geringen volumenbezogenen Energiedichte für die Wasserstoffwirtschaft Probleme aufwirft. Aber ungeachtet ihrer derzeitigen Popularität steht nicht fest, ob Elektrofahrzeuge in einer kohlenstoffarmen, nachhaltigen Energiezukunft die beste oder die einzige Lösung sind. Wahrscheinlich wird der Energiemix viele unterschiedliche Energieformen enthalten, und wofür man sich entscheidet, dürfte von der Anwendung abhängen. Tatsächlich hat Toyota 2015 in den Vereinigten Staaten und Europa das erste Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug, den Toyota Mirai, in Serie auf den Markt gebracht.[2][3]

Obwohl Methan-Cracken einen deutlichen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten kann und das Potenzial besitzt, die Entwicklung der für die Wasserstoffwirtschaft nötigen Infrastruktur voranzutreiben, ist noch ein weiterer Aspekt zu bedenken, wenn es um die Umsetzbarkeit des Methan-Crackens als Brückentechnologie geht: Erdgas. Erdgas liefert den Rohstoff für das Methan-Cracken. Auf der gesamten Erdgas-Versorgungskette tritt Methan aus. Das ist problematisch, weil Methan als hochwirksames Treibhausgas über einen Zeitraum von 20 Jahren ein 86mal höheres und über einen Zeitraum von 100 Jahren ein 34mal höheres Treibhauspotenzial besitzt als CO2.[4] Eine Durchsicht der Literatur zu Erdgasemissionen in den Vereinigten Staaten und Kanada aus den letzten 20 Jahren hat ergeben, dass die atmosphärischen Methankonzentrationen sehr viel höher sind, als Vorhersagen, basierend auf aktuellen Bestandsaufnahmen zu den Emissionswerten, vermuten ließen, und ein Teil der Abweichungen könnte auf den Erdgassektor zurückzuführen sein.[5] Neuere Studien haben ergeben, dass in der Erdgasproduktion womöglich sehr viel mehr Methan austritt als aktuelle Schätzungen angeben; bei Schiefergas aus unkonventionellen Lagerstätten, das in den USA in großem Umfang gefördert wird und auch in anderen Ländern zur Diskussion steht, könnte der Verlust noch höher liegen.[6][7]

Brückentechnologien wie das Methan-Cracken haben das Potenzial, Klimaschäden durch fossile Brennstoffe, die kurzfristig weiter genutzt werden, zu vermindern. Um die Eignung des Methan-Crackens als Brückentechnologie zu beurteilen, ist eine eingehende Bewertung erforderlich. Die industrielle Skalierbarkeit der Technologie zum Methan-Cracken bedarf einer genaueren Prüfung, und die Probleme, die die Wasserstoffwirtschaft behindern, (insbesondere in den Bereichen Transport, Verteilung und Speicherung) müssen gelöst werden. Letztlich ist entscheidend, sowohl CO2- als auch CH4-Emissionen zu berücksichtigen, wenn beurteilt wird, wie viel Methan-Cracken zum Klimaschutz beitragen kann. Wichtig ist auch, dass die tatsächlichen Methanleckagen in der Erdgasproduktion genauer erfasst und die Möglichkeiten zur Eindämmung von Methanemissionen aus diesem Sektor geprüft werden.

[1] http://www.wri.org/blog/2015/06/infographic-what-do-your-countrys-emissions-look

[2] http://toyotanews.pressroom.toyota.com/releases/toyota+mirai+owners+jump+future.htm

[3] https://www.toyota-europe.com/world-of-toyota/articles-news-events/2014/the-toyota-mirai.json

[4] IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press. 2013. http://www.climatechange2013.org/images/report/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf, p. 714.

[5] A. R. Brandt, G. A. Heath, E. A. Kort, F. O’Sullivan, G. Pétron, S. M. Jordaan, P. Tans, J. Wilcox, A. M. Gopstein, D. Arent, S. Wofsy, N. J. Brown, R. Bradley, G. D. Stucky, D. Eardley und R. Harriss, Science 2014, 343, S. 733–735.

[6] R. W. Howarth, R. Santoro und A. Ingraffea, Clim. Change, 2011, 106, S. 679-690.

[7] R. W. Howarth, Energ. Sci. Eng., 2014, 2, S. 47-60.

Foto oben: istock/biosurf (Methanmoleküle); IASS/Photoatelier Pfeil

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