Investigation of Molten Metals and Alloys as Catalysts for Methane Pyrolysis

Wasserstoff gilt als ausschlaggebender Faktor bei der Überführung des derzeitigen, auf fossilen Rohstoffen basierenden, Energiesystems hin zu einem nachhaltigeren. Um das ambitionierte Netto-Null-Emissionsziel zu erreichen, ist es dabei nicht nur notwendig die konventionellen, CO2-intensiven Brennstoffe und Reduktionsmittel zu substituieren, sondern auch die klimafreundliche und gleichzeitig wirtschaftliche Erzeugung der erforderlichen Ersatzstoffe sicherzustellen. Das Verfahren der Methanpyrolyse erweist sich in dieser Hinsicht als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Prozessen der Wasserstoffproduktion, wie etwa der Dampfreformierung von Methan, da bei der zugrundeliegenden Reaktion kein Kohlendioxid freigesetzt wird. Das Verfahrensprinzip beruht grundsätzlich darauf, dass das Methan in einer sauerstofffreien Atmosphäre erhitzt wird und sich dabei zersetzt. Die Produkte sind gasförmiger Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Verschiedene Ansätze für eine technische Umsetzung, die sich beispielsweise hinsichtlich der Reaktorkonzepte oder der Verwendung und der Art von Katalysatoren unterscheiden, befinden sich derzeit im Entwicklungsstadium. Diese Arbeit behandelt die Methanpyrolyse in geschmolzenen Metallen und Legierungen. Der primäre Zweck der untersuchten Metallschmelzen besteht darin, Wärme auf das zugeführte Methan zu übertragen und dessen Zersetzung zu katalysieren. Verschiedene Metalle sowie binäre und ternäre Legierungen werden im Hinblick auf die in einem Versuchsreaktor erzielten Methanumsetzungsraten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass geeignete Legierungsbestandteile wie etwa Nickel in einem Basismetall wie zum Beispiel Zinn die ablaufenden Reaktionen beschleunigen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass dieser Effekt nur bei Prozessbedingungen, bei denen die Reaktion selbst geschwindigkeitsbestimmend ist, also zum Beispiel bei niedrigeren Temperaturen, Einfluss hat. Eine verringerte Oberflächenspannung und Viskosität der Schmelzen wirken sich weiters in allen Temperaturbereichen vorteilhaft aus. Dieser Effekt ist auf eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit zurückzuführen, welche sich unter anderem aufgrund einer verringerten durchschnittlichen Größe der Blasen, die das eingebrachte Methan in der Schmelze bildet, ergibt. Bestimmte Metalle, wie zum Beispiel Zinn oder Wismut, besitzen die erwähnten förderlichen Eigenschaften. Neben der Menge des erzeugten Kohlenstoffs beeinflusst die Auswahl der Metallschmelze auch die Qualität des festen Produkts, im Speziellen dessen Reinheit und Morphologie. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen bilden eine Basis für die Konstruktion effektiver, industrieller Reaktoren, welche die Erzeugung von marktfähigem, hochwertigem Wasserstoff und Kohlenstoff gewährleisten.