Experimentelle Untersuchung der Methanpyrolyse zur Wasserstoffproduktion in einem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor

Wasserstoff stellt einen Energievektor mit erheblichem Potenzial für den Übergang von der derzeit weitgehend fossilbasierten Energiebereitstellung hin zu einem nachhaltigen und CO₂-neutralen System dar. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, müssen herkömmliche, kohlenstoffintensive Brennstoffe und Reduktionsmittel nicht nur substituiert werden, sondern die Bereitstellung ihrer klimafreundlichen Alternativen muss gleichzeitig in ökologisch und ökonomisch vertretbarer Weise erfolgen. In diesem Kontext bietet die Methanpyrolyse eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Wasserstofferzeugung, insbesondere zur Dampfreformierung von Methan, da bei der Grundreaktion kein Kohlendioxid entsteht. Methan wird dabei in einer sauerstofffreien Atmosphäre thermisch zersetzt, wobei gasförmiger Wasserstoff und fester Kohlenstoff als Produkte entstehen. Für die technische Umsetzung existieren eine Reihe unterschiedlicher Reaktorkonzepte, deren Leistungsfähigkeit stark von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängt.
Diese Dissertation untersucht die Methanpyrolyse in Flüssigmetall-Blasensäulenreaktoren unter Verwendung von flüssigem Zinn als kontinuierliche Phase. Die zentrale Funktion des Metallbads besteht in seiner Rolle als hocheffizientes Wärmeübertragungsmedium, das die eingebrachte Methanmenge rasch auf die für die Zersetzung erforderliche Temperatur bringt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues Reaktorkonzept entwickelt, ausführlich beschrieben und umfassend experimentell validiert, welches eine induktive Beheizung mit einer Gaseinbringung über Spüllanzen kombiniert. Der Fokus liegt auf der systematischen Untersuchung eines breiten Spektrums relevanter Prozessparameter, insbesondere Badtemperatur, Methanvolumenstrom und Badtiefe, innerhalb desselben Reaktors. Dadurch können die in der Literatur berichteten Trends unter standardisierten Bedingungen reproduziert, miteinander verglichen und durch neue, belastbare Erkenntnisse erweitert werden.
Die Ergebnisse bestätigen mehrere charakteristische Zusammenhänge, die sich aus der Gesamtheit der Studien der vergangenen zwei Jahrzehnte ableiten lassen. Aufgrund der in dieser Arbeit erstmals realisierten Kombination aus einem besonders breiten Temperaturbereich von 300–1350 °C, einem CH₄ Volumenstrombereich von 0,005–3,00 Nl/min sowie dem Einsatz eines Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers für die Gasanalytik lassen sich sowohl eine Reihe temperaturabhängiger Nebenprodukte als auch verschiedene Strömungsregime, die vom Methanvolumenstrom bestimmt werden, eindeutig identifizieren. Darüber hinaus werden in größerem Umfang verschiedene Methan-Wasserstoff-Mischgase als Input eingesetzt, wodurch wertvolle Erkenntnisse für die Auslegung und den Betrieb mehrstufiger Prozessrouten gewonnen werden.
Neben der Menge des erzeugten Kohlenstoffs wird auch dessen Reinheit maßgeblich durch die herrschenden Prozessbedingungen beeinflusst. Die im Rahmen dieser Dissertation gewonnenen Ergebnisse liefern somit eine fundierte Grundlage für die effiziente Auslegung industrieller Flüssigmetall-Blasensäulenreaktoren und zeigen darüber hinaus das Potenzial dieses Reaktorkonzepts für die wirtschaftliche Herstellung von marktfähigem Wasserstoff und Kohlenstoff auf.