Methanpyrolyse im Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor: Einfluss von Ethan und Propan auf die Methanzersetzung

Wasserstoff spielt eine zentrale Rolle in der Transformation von fossilen zu erneuerbaren Energieträgern. Zu den derzeitigen, wachsenden Anwendungsgebieten kommen neue hinzu, weshalb der Bedarf stark steigen wird. Die aktuelle H2-Produktion stößt jedoch große Mengen an Treibhausgasen aus, weshalb neue Technologien notwendig sind. Eine vielversprechende Möglichkeit hierfür ist die Pyrolyse von Erdgas, welche mit vergleichsweise niedrigem Energieaufwand die Herstellung von Wasserstoff mit geringen CO2-Emissionen ermöglicht. Unter Sauerstoffausschluss läuft die thermische Spaltung von CH4 in H2 und festen Kohlenstoff ab, wodurch keine prozessbedingten Treibhausgasemissionen entstehen. Eine energie- und verfahrenstechnisch vorteilhafte Ausführung dieses Prozesses ist die Pyrolyse in flüssigen Medien, welche als Katalysatoren und Wärmeüberträger agieren. Eine Optimierung des Reaktordesigns erfordert jedoch noch weiterführende Forschung, unter anderem um das Verständnis der Kinetik und des Reaktionsmechanismus zu verbessern. Diese Arbeit untersucht das Zersetzungsverhalten von Ethan und Propan, den wichtigsten Nebenbestandteilen von Erdgas, sowie deren Einfluss auf die Hauptkomponente Methan. Die jeweiligen Gase werden über eine Spüllanze in einen Blasensäulenreaktor mit flüssigem Zinn eingebracht, anschließend ermöglicht ein Gasanalysesystem die Bestimmung der Produktgaszusammensetzung bei definierten Temperaturen. Zur Berechnung der CH4-Umsetzungen und der verschiedenen Produktausbeuten sowie zur Ermittlung der Aktivierungsenergie kommt ein eigens für diese Arbeit erstelltes Gleichungssystem zum Einsatz. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass für die Dissoziation von Ethan und Propan geringere Aktivierungsenergien und niedrigere Temperaturen notwendig sind als für die Methanpyrolyse. Die damit einhergehende ausgeprägtere Bildung von Radikalen beeinflusst die Zersetzung von Methan in binären Gasgemischen positiv. Bei höheren Temperaturen ab 1150 °C ist dieser Effekt gering, sollte jedoch in Kombination mit verschiedenen Katalysatoren und Gaseinbringungsmöglichkeiten untersucht werden. Allgemein bedarf es weiterer Forschung, um die Methanpyrolyse als wichtigen Prozess in der Energiewende zu etablieren.