Blasenbildung in Flüssigmetallreaktoren: Experimentelle und theoretische Grundlagen zur Optimierung der Methanpyrolyse

Der menschengemachte Klimawandel stellt eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen dar. Zur Eindämmung der Auswirkungen der globalen Erwärmung spielen Dekarbonisierungsmaßnahmen und damit einhergehend der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger eine wichtige Rolle. Derzeit läuft die Herstellung von Wasserstoff weltweit zu 99 % über CO2-intensive Verfahren, wie die Dampfreformierung, ab. Da die prognostizierten Elektrolysekapazitäten die notwendige H2-Menge bis 2030 nicht decken können, bedarf es alternativer Verfahren zur Wasserstoffproduktion, wie der Methanpyrolyse. Bei der Methanpyrolyse wird Methan bei hohen Temperaturen, zum Teil unter Anwesenheit eines Katalysators, in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zersetzt. Ein Flüssigmetallreaktor, in dem die Schmelze als Wärmeübertragungsmedium und Katalysator dient, kann zum Einsatz kommen. Die Blasendynamik spielt hierbei eine wichtige Rolle, da die Größe der entstehenden Blasen die Effizienz des Verfahrens beeinflusst. Wichtige Parameter, welche sich auf die Blasendynamik auswirken, sind unter anderem die Oberflächenspannung und die Viskosität der Flüssigkeit sowie die Art der Gaseinbringung und das Strömungsverhalten. Diese Arbeit untersucht den Einfluss der erwähnten Faktoren auf die Blasendynamik. Deren Berechnung sowie der Gasströmung in der Lanze und im Reaktor sind ebenfalls Gegenstand des Theorieteils. Im experimentellen Teil werden Druckmessungen und Bildaufnahmen durchgeführt, um die Blasengröße in den Flüssigkeiten zu ermitteln. Versuche in Wasser, Silikonöl und flüssigem Zinn zeigen, dass die verwendete indirekte Messmethode für den Lanzentyp mit großer Öffnung gut anwendbar ist. Die Blasengröße steigt mit dem Volumenstrom an, wobei im Zinn die kleinsten Blasen und im Öl die größten entstehen. In der Zinnschmelze ist außerdem bei einer bestimmten Durchflussrate ein Übergang zu beobachten, was auf die Ausbildung einer turbulenten Strömung zurückgeführt wird. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Flüssigkeitseigenschaften einen erheblichen Einfluss auf die Blasengröße haben. Auch die Ausführung der Lanze beeinflusst die Blasendynamik. Die Beurteilung dieser Parameter ist jedoch schwierig, da das Zusammenspiel der Flüssigkeitseigenschaften unerwartete Ergebnisse liefert. Zusätzliche Versuche in unterschiedlichen Flüssigkeiten sind notwendig, um die Blasendynamik und das Strömungsverhalten besser zu verstehen. Weitere Forschung im Hinblick auf die Gaseinbringung, insbesondere auf Spülsteine und deren Auswirkungen auf die Blasendynamik, ist erforderlich. Zudem ist zu untersuchen, wie sich die Blasengröße auf die Reaktionsrate bei der Methanpyrolyse auswirkt und wie diese durch Optimierung der Gaseinbringung oder des Legierungsdesigns zu verbessern ist.