Das Power-to-Gas-Verfahren ist derzeit in aller Munde. Immer mehr Experten aus Politik, Wissenschaft und Energiewirtschaft kommen jedoch zu der Erkenntnis, dass eine vollelektrifizierte Energiewende ausschließlich auf Basis erneuerbarer Energien weder technologisch noch wirtschaftlich umsetzbar ist.

Die Methanspaltung zu CO2-freiem Wasserstoff und Kohlenstoff aus Erdgas kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die globalen Klimaziele zu erreichen, indem sie beispielsweise aus Windenergie erzeugte Mengen an Wasserstoff ergänzt. Langfristig kann eine schrittweise Integration von CO2-freiem Wasserstoff in die Sektoren Mobilität, Wärme- und Stromerzeugung nicht nur die CO2-Emissionen der Energiewirtschaft reduzieren, sondern auch einen wichtigen Beitrag für die Erreichung der Emissionsziele 2050 der Europäischen Union leisten. Hinzu kommt, dass die Emissionen über den gesamten Lebenszyklus bei der Methanpyrolyse deutlich geringer sind als bei der Wasserelektrolyse mit erneuerbarem Strom.

Bei der Methanspaltung wird Erdgas in einer Pyrolysereaktion in seine elementaren Bestandteile – also gasförmigen Wasserstoff und festen Kohlenstoff – gespalten. Das Besondere daran: Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren entstehen dabei keine schädlichen Emissionen. Für beide Produkte bestehen enorme Marktpotenziale: Der CO2-freie Wasserstoff kann als sauberer Energieträger genutzt werden, beispielsweise in Brennstoffzellen, zur Stromerzeugung, als Kraftstoff für Fahrzeuge oder für die Produktion von Ammoniak. Fester schwarzer elementarer Kohlenstoff (Graphit) lässt sich als industrieller Rohstoff für die Produktion von Stahl, Batterien, Kohlenstofffasern und kohlenstoffbasierten Strukturen sowie Materialien einsetzen. Ebenso kann er als verstärkendes Baumaterial dienen. Aktuell ist der Markt für hochwertigen elementaren Kohlenstoff noch überschaubar, doch speziell in Europa gibt es für das Material großes Potenzial. Wirtschaftlichkeit bzw. das Marktpotenzial der Technologie hängen natürlich von den zu erwartenden Kosten und Einnahmen ab. Hier gibt es gewisse Unwägbarkeiten – wie die fluktuierenden Preise für Gas und CO2, so dass derzeit lediglich eine Abschätzung möglich ist. Wenn man aber einen CO2-Preis von rund 50 Euro pro Tonne Wasser- und Kohlenstoff zugrunde legt, ließen sich die Produkte im Vergleich zu anderen Verfahren zu wettbewerbsfähigen Produktionskosten herstellen.

Es ist davon auszugehen, dass die Nachfrage nach Wasserstoff in den nächsten Jahren stark zunehmen wird. Aus der Leitstudie Integrierte Energiewende der Deutschen Energieagentur von 2018 geht hervor, dass sie in den nächsten Jahren von rund 30 Terrawattstunden im Jahr 2030 bis 2050 auf mehr als 150 Terrawattstunden im Jahr ansteigen wird. Diese Daten beziehen sich hauptsächlich auf den Einsatz von Wasserstoff im Industrie- und Mobilitätssektor. Sicherlich kann dieser Sektor besonders von der Methanspaltung profitieren. Für neuartige Verbrennungsmotoren kann Wasserstoff zum Beispiel als – im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen – emissionsärmere Alternative für Motoren genutzt werden. Sollte der Einsatz von Wasserstoff und erneuerbaren Synthesegasen auch im Energiesektor voranschreiten, könnte sich der Bedarf sogar auf mehr als 900 TWh erhöhen. So setzt die Erdgaswirtschaft schon heute Wasserstoff-Methan-Gemische für den Betrieb von Kompressoren beim Gastransport ein. Eine weitere Möglichkeit, den aus Erdgas erzeugten Wasserstoff als Energieträger in das System zu integrieren, besteht darin, ein CO2-armes Energieprodukt Hythane – eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoff – zu etablieren. Damit ließen sich die EU-Klimaziele 2030 ohne kostenintensive Umstellungen in den Verteilsystemen erreichen. Insgesamt sind 25 bis 35 Prozent CO2-Reduzierung gegenüber 2016 möglich. Und durch eine Umstellung der Energiesysteme auf Wasserstoff aus Methan als Hauptenergieträger könnte bis 2050 sogar eine 80-prozentige Reduzierung der CO2-Emissionen in der Europäischen Union realisiert werden.

Aktuell gibt es nur Pilotanlagen

Ein erfolgreich erprobter Dauerbetrieb ist die entscheidende Voraussetzung, um das Verfahren im industriellen Maßstab anwenden zu können. Das Karlsruher Institut für Technologie arbeitet zusammen mit dem Potsdamer Institute for Advanced Sustainability Studies an ebendieser Herausforderung. Als bisher erstem Forscherteam ist es den Wissenschaftlern gelungen, den Reaktor über zwei Wochen im Labor ohne Unterbrechung laufen zu lassen. Dabei wurde Wasserstoff mit einer Umwandlungsrate von bis zu 78 Prozent bei Temperaturen von rund 1.200 Grad Celsius erzeugt. Das Verfahren ist im Herbst 2018 mit dem Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft in der Kategorie Forschung und Entwicklung ausgezeichnet worden. Diese wichtige Anerkennung von Branchenexperten markiert einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer zukünftigen Anwendung der Methanpyrolyse im industriellen Maßstab.

Als nächstes wird es darum gehen, das Verfahren wirtschaftlich einzusetzen. Unter dem Strich könnte der aus Erdgas erzeugte CO2-freie Wasserstoff – auch im Zusammenspiel mit anderen Verfahren – ein wichtiger Schlüssel zur Erreichung der nationalen und internationalen Klimaziele eine spielen.