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Aug 17, 2023

Methanpyrolyse: Erschließung des Potenzials der Herstellung von türkisfarbenem Wasserstoff, berichtet IDTechEx

BOSTON, 2. Juni 2023 /PRNewswire/ – In der sich schnell entwickelnden Landschaft von

BOSTON, 2. Juni 2023 /PRNewswire/ -- In der sich schnell entwickelnden Wasserstofflandschaft beschleunigt der globale Vorstoß für eine kohlenstoffarme Wasserstoffproduktion die Erforschung nachhaltiger, skalierbarer und wirtschaftlich tragfähiger Technologien. Während blauer und grüner Wasserstoff als herausragende Optionen für die mittel- und langfristige Dekarbonisierung hervorgehoben wurden, hat der weniger beachtete türkisfarbene Wasserstoff, der durch Methanpyrolyse erzeugt wird, in Bezug auf Technologie und kommerzielle Demonstrationen Fortschritte gemacht. Wo passt also die Methanpyrolyse in die zukünftige Wasserstoffwirtschaft und welche Bedeutung wird ihre Rolle haben?

Dieser Artikel befasst sich mit diesem Thema und befasst sich mit den verschiedenen Methanpyrolysetechnologien, ihren Vor- und Nachteilen sowie den wichtigsten kommerziellen Aktivitäten, die diese Branche prägen. Eine umfassende Untersuchung der Methanpyrolyse sowie des Marktes für blauen Wasserstoff finden Sie im brandneuen Marktbericht von IDTechEx „Blue Hydrogen Production and Markets 2023-2033: Technologies, Forecasts, Players“.

Ein Vergleich von blauem und grünem Wasserstoff

Im Spektrum der Wasserstoffproduktion haben sich blauer und grüner Wasserstoff als Schlüssellösungen für eine kohlenstoffarme Zukunft herausgestellt. Blauer Wasserstoff wird durch die Reformierung von Erdgas mit Dampf oder dessen teilweise Oxidation mit Sauerstoff hergestellt, wobei die CO2-Emissionen des Prozesses aufgefangen und gespeichert werden. Andererseits wird grüner Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt, das durch erneuerbare Energiequellen wie Wind oder Sonne angetrieben wird, wodurch er im Hinblick auf Scope-1- und Scope-2-Emissionen kohlenstofffrei ist.

Türkisfarbener Wasserstoff bietet jedoch einen anderen Ansatz zur Wasserstoffproduktion. Es wird durch Methanpyrolyse erzeugt, ein Prozess, bei dem Methan bei hohen Temperaturen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt wird, ohne dass direktes CO2 freigesetzt wird. Dies macht türkisfarbenen Wasserstoff zu einer umweltfreundlicheren Option als blauen Wasserstoff, da er die Notwendigkeit einer Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) vermeidet.

Im Vergleich zu grünem Wasserstoff ist die Produktion von türkisfarbenem Wasserstoff in der Regel kostengünstiger und einfacher zu skalieren, da er auf das reichlich vorhandene und derzeit erschwinglichere Erdgas als Rohstoff angewiesen ist. Darüber hinaus ist der Prozess thermodynamisch deutlich weniger energieintensiv als die Wasserelektrolyse und benötigt etwa siebenmal weniger Energie pro erzeugtem Mol H2. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn man bedenkt, dass viele Verfahrensvarianten der Methanpyrolyse vollständig elektrifiziert werden können und somit Scope-2-Emissionen entfallen. Die Verwendung von Biogas als Rohstoff könnte den Prozess möglicherweise kohlenstoffnegativ machen.

Bei dem Prozess entsteht auch ein festes Kohlenstoffnebenprodukt, das je nach Qualität potenziell in verschiedenen Industrien eingesetzt werden kann – Gummischwarz wird als Verstärkungsmaterial für Gummi verwendet und Spezialschwarz kann bei der Herstellung von Polymeren, Tinten und Beschichtungen verwendet werden , Batteriematerialien und viele andere Anwendungen. Derzeit wird auch an der Verwendung als Bodenhilfsstoff geforscht. Einige Methanpyrolyseprozesse können auch Kohlenwasserstoffe, Graphit oder fortgeschrittenere Kohlenstoffe wie Graphen produzieren. Die Herstellung solcher Produkte könnte den Betreibern von Pyrolyseanlagen nützliche Einnahmequellen eröffnen.

Das Spektrum der Methanpyrolyseprozesse

IDTechEx identifizierte drei große Arten von Methanpyrolyseprozessen. Im Großen und Ganzen sind diese Prozesse hinsichtlich ihrer Arbeitsprinzipien, Vor- und Nachteile, Entwicklungsstadien und der relativen Anzahl der Akteure, die sie entwickeln, recht unterschiedlich. Natürlich gibt es davon noch weitere Variationen, wie zum Beispiel das plasmakatalytische Verfahren.

Thermisch: nichtkatalytische thermische Zersetzung bei sehr hohen Temperaturen (1000–1400 °C). Die Wärmezufuhr erfolgt über die Reaktorwände oder Wärmetauscherrohre (bei Verbrennung). Zu den Unternehmen, die diesen Prozess entwickeln, gehören BASF (Widerstandsheizung von Reaktorwänden) und Ekona Power (Heizung durch Verbrennung von Abgasen).

Katalytisch: thermokatalytischer Prozess, bei dem entweder ein geschmolzener Katalysator in einer Blasensäule oder Katalysatorpartikel in einem Wirbelschichtreaktor verwendet werden. Zu den Unternehmen, die dieses Verfahren entwickeln, gehören C-Zero (Katalysator für geschmolzenes Salz) und Hazer Group (Katalysator für festes Eisenerz).

Plasma: Methanmoleküle werden durch Hochtemperaturplasma (über Plasmabrenner) oder durch Mikrowellen erzeugtes Niedertemperaturplasma gespalten. Zu den Unternehmen, die dieses Verfahren entwickeln, gehören Monolith (Hochtemperatur) und Transform Materials (Niedertemperatur).

IDTechEx ist davon überzeugt, dass Plasmapyrolyseverfahren im Hinblick auf den Stand der technologischen Entwicklung und die Anzahl der Akteure bei weitem am weitesten fortgeschritten sind. Sie sind auch die energieeffizientesten Verfahren, da die Wärme direkt an das Methangas und nicht an den Reaktor oder das katalytische Medium abgegeben wird. Darüber hinaus ist die Qualität von Kohlenstoffprodukten in der Regel höher als die anderer Prozesstypen, obwohl einige katalytische Prozesse auch Qualitätsprodukte erzeugen können. Der Prozess erfordert jedoch eine genaue Kontrolle des Plasmas, um keine Nebenprodukte zu bilden, da die Methanradikale dazu neigen, sich zu Kohlenwasserstoffmolekülen zu verbinden. Transform Materials nutzte dieses Verhalten in seinem Mikrowellenprozess zur Erzeugung von Acetylen – einer wertvollen Chemikalie, die bei der Herstellung von Polymeren wie PVC und Chemikalien wie Butandiol verwendet wird.

Kommerzielles Interesse und Aktivität in der Methanpyrolyse

Die Unternehmen, die Methanpyrolyse entwickeln, erstrecken sich über mehrere Regionen, wobei Nordamerika (hauptsächlich die USA) und Europa (hauptsächlich Großbritannien, Frankreich und Deutschland) die Entwicklung hinsichtlich der Anzahl der Akteure und ihrer technologischen Bereitschaftsgrade (TRL) dominieren. Allerdings stechen einige Akteure bei der Kommerzialisierung ihrer Technologien heraus.

Monolith ist ein in den USA ansässiges Unternehmen und wahrscheinlich der fortschrittlichste Akteur auf dem Markt, da es seit 2020 über eine kommerzielle Anlage im kommerziellen Maßstab (Olive Creek 1) verfügt, die jährlich 5 Kilotonnen Wasserstoff und 15 Kilotonnen Ruß produziert. Das Unternehmen erweitert derzeit diese Anlage (Olive Creek 2), um 275 Kilotonnen kohlenstoffarmes Ammoniak und 194 Kilotonnen Ruß zu produzieren. Die Inbetriebnahme der Anlage ist für 2023 geplant und es wird erwartet, dass sie die größte Methanpyrolyseanlage weltweit sein wird. Monolith hat kürzlich bekannt gegeben, dass sein Rußprodukt in den neuen Ultrahochleistungsreifen ElectricDrive™ GT von Goodyear verwendet wird.

Wie bereits erwähnt, ist Transform Materials ein weiteres in den USA ansässiges Unternehmen mit einem Mikrowellenplasmaverfahren, mit dem Acetylen hergestellt werden kann. Das Unternehmen positioniert sich als Anbieter eines sauberen Acetylenprozesses – eine Alternative zu den bestehenden kohlenstoffintensiven Carbid- und Acetylencrackerprozessen. Daher ist sein Verfahren wahrscheinlich für Acetylen-Endverbraucher von größtem Interesse, bei denen Wasserstoff als wertvolles Nebenprodukt angesehen wird. Das Unternehmen verfügt noch nicht über eine kommerzielle Anlage, stößt jedoch bei Unternehmen wie DSM Nutritional Products auf großes kommerzielles Interesse.

Hazer Group ist ein australisches Unternehmen, das seine katalytische Pyrolysetechnologie vermarktet, bei der Eisenerzpellets als Katalysator in einem Wirbelschichtreaktor verwendet werden. Sein Prozess erzeugt ein relativ hochreines Graphitprodukt, das bei entsprechender Reinigung in einem breiten Anwendungsspektrum, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien, eingesetzt werden kann. Das Unternehmen entwickelt seine erste kommerzielle Anlage in Australien in der Woodman Point Wastewater Treatment Facility, die jährlich 100 Tonnen H2 produzieren wird und deren Inbetriebnahme im zweiten Halbjahr 2023 geplant ist. Obwohl die Kapazität im Vergleich zu Monoliths Olive Creek 1 immer noch recht gering ist, Das Unternehmen sieht großes Interesse an seiner Technologie von multinationalen Konzernen wie Engie und Chiyoda Corporation.

Mehrere kleinere Unternehmen wie Plenesys und Graforce entwickeln stärker modularisierte Pyrolyseprozesse, die in der Nähe der Kundenanlagen angesiedelt werden könnten. Dies bietet einen alternativen Weg zur dezentralen Wasserstoffproduktion in kleinerem Maßstab, der in Zukunft mit der Elektrolyse konkurrieren könnte. Allerdings sind die kommerziellen Bemühungen zur Nutzung solcher Anlagen noch relativ begrenzt. Weitere Informationen zu Spielern und ihren Aktivitäten finden Sie im Bericht von IDTechEx.

Ausblick auf türkisfarbenen Wasserstoff

Natürlich bringt die Technologie einige Nachteile mit sich. Der Bedarf an Methan (Erdgas) stellt bei blauem Wasserstoff eine gemeinsame Herausforderung dar, da die Wasserstoffproduktion auf Erdgas angewiesen sein wird. Darüber hinaus ist die Wasserstoffausbeute pro Mol eingesetztem Erdgas geringer als bei blauen Wasserstoffverfahren wie Dampfmethan oder autothermer Reformierung (SMR & ATR). Es gibt auch einige Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffnebenprodukt – Abnahmevereinbarungen können nur für ein hochwertiges Kohlenstoffprodukt abgeschlossen werden; andernfalls müsste der Kohlenstoff im Untergrund gespeichert werden. Darüber hinaus entstehen bei der Methanpyrolyse pro kg Wasserstoff 3 kg Ruß. Daher könnten Pyrolyseanlagen nur dann in sehr großem Maßstab (in Millionen Tonnen Wasserstoff) skaliert werden, wenn geeignete Märkte für das Nebenprodukt verfügbar wären – andernfalls könnte die Prozessökonomie unerschwinglich sein.

Wie aus dem Artikel hervorgeht, gibt es viele kommerzielle Anstrengungen und viele kleinere bis mittlere Unternehmen entwickeln Technologien. Jedes Unternehmen hat ein anderes Geschäftsmodell, abhängig vom Umfang seines Prozesses und der Art oder Reinheit seines Kohlenstoffnebenprodukts. Insgesamt geht IDTechEx davon aus, dass der Einsatz der Methanpyrolyse in der Wasserstoffindustrie im Vergleich zu blauem und grünem Wasserstoff zumindest mittelfristig eher begrenzt sein wird. Die Technologien müssen noch weiterentwickelt und im kommerziellen Maßstab demonstriert werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Methanpyrolyse und der türkisfarbene Wasserstoff außer Acht gelassen werden sollten, da verschiedene Branchen von solchen Technologien profitieren könnten.

Der neue Marktbericht von IDTechEx „Blue Hydrogen Production and Markets 2023-2033: Technologies, Forecasts, Players“ analysiert und vergleicht all diese Prozesse und bietet Einblicke in die Aktivitäten der wichtigsten Akteure und ihrer Projekte. Es enthält auch 10-Jahres-Marktprognosen für die blaue Wasserstoffbranche, aufgeschlüsselt nach Technologie, Endverbrauch und Region.

Über IDTechEx

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