Methanpyrolyse, auch Methancracking oder türkisfarbener Wasserstoff genannt, ist die Hochtemperaturspaltung von Methan in Wasserstoffgas und Kohlenstoff. Sie steht in direktem Wettbewerb mit blauem Wasserstoff, Wasserstoff aus der Methandampfreformierung und der Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung (CCS), um kohlenstoffarmen Wasserstoff aus Erdgas zu erzeugen. Bei der Methanpyrolyse wird der gesamte im Methan enthaltene Kohlenstoff in fester Form abgeschieden und nicht als Kohlendioxid freigesetzt.
Die Methanpyrolyse erfordert etwa die Hälfte der Energie, die bei der Dampfreformierung zur Erzeugung der gleichen Menge an Wasserstoff benötigt wird. Schließlich kann das feste Kohlenstoff-Nebenprodukt als Ruß auf dem Markt verkauft werden, wodurch die Kosten für den erzeugten Wasserstoff ausgeglichen werden. Zusammengenommen machen diese Faktoren die Methanpyrolyse zu einer vielversprechenden Technologieoption für die Herstellung von kohlenstoffarmem Wasserstoff.
Es gibt verschiedene Varianten der Methanpyrolyse, die in die Kategorien thermische, Plasma- und katalytische Pyrolyse eingeteilt werden können. Trotz der Unterschiede haben sie alle gemeinsame technische Herausforderungen: hohe Prozesstemperaturen, die für hohe Umwandlungsraten erforderlich sind, Reinheit des Wasserstoffgases und Abtrennung von festem Kohlenstoff aus der Gasphase zur Vermeidung von Katalysatorvergiftungen (falls vorhanden) und Verstopfungen des Reaktorsystems.
Um einen umfassenden Überblick über die Technologielandschaft der Methanpyrolyse und die Verteilung der Akteure zu erhalten, haben wir die wichtigsten Entwickler mit historischen Patentaktivitäten, akademischen Veröffentlichungen, Frühphasenfinanzierung und laufenden Projekten analysiert. Diese Informationen dienen dazu, künftige Trends zu definieren und Möglichkeiten für Innovatoren zu identifizieren, die mit Akteuren der Methanpyrolyse zusammenarbeiten möchten.
Nord-, Mittel- und Südamerika sowie EMEA sind regional führend bei der Methanpyrolyse
Dies ist keine Überraschung, da die Methanpyrolyse eine frühe und komplexe Technologieplattform ist, deren Entwicklung durch die Verwendung von Erdgas für kohlenstoffarmen Wasserstoff gefördert wird. Dies erfordert ein starkes regionales Engagement für die Dekarbonisierung, die Bereitschaft zu risikoreichen Investitionen und/oder ein reichhaltiges lokales Angebot an Erdgas. Die USA und Russland sind die beiden führenden Länder in diesem Bereich.
Während Japan und Südkorea ehrgeizige Dekarbonisierungsziele haben und Südostasien und Australien über ein reichhaltiges Erdgasangebot verfügen, hat bisher keine Region in APAC die richtigen Bedingungen, um die Entwicklung der Methanpyrolyse zu fördern. Wir gehen jedoch davon aus, dass China zu einem wichtigen Akteur werden wird.
Startups werden zunehmend aktiv in der Methanpyrolyse
Die Methanpyrolyse wurde bisher weitgehend von großen Unternehmen beherrscht, doch im letzten Jahrzehnt wurden mehrere Start-ups gegründet, um Methanpyrolysetechnologien zu entwickeln und einzusetzen, die ursprünglich in Forschungseinrichtungen entwickelt wurden. Insgesamt gibt es noch keinen eindeutigen Marktführer im Bereich der Methanpyrolyse - Monolith Materials hat seine Plattform zwar bis zum Demonstrationsstadium gebracht, aber die Leistung seiner Technologie ist unklar. Ansonsten befinden sich sowohl große Unternehmen als auch Start-ups mit ihren Plattformen in einem ähnlichen Stadium der Technologieentwicklung.
Der akademische Raum ist aktiv, aber stark fragmentiert
Im Bereich der Methanpyrolyse sind die Forschungseinrichtungen weitaus zahlreicher als die Unternehmen und Start-ups. Nur zwei, die Niederländische Organisation für Angewandte Wissenschaftliche Forschung (TNO) und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), heben sich von der Masse ab, indem sie ihre Technologie bis zu Pilotanlagen ausbauen. Andere Einrichtungen, die sich mit der Methanpyrolyse befassen, sind noch nicht über Versuchsanlagen hinausgekommen. Einige dieser Einrichtungen sind in China angesiedelt, und ihre Technologien werden wahrscheinlich von chinesischen Unternehmen übernommen, sobald sie in größerem Maßstab eingesetzt werden können.
- Plasma: Die ausgereifteste Form der Methanpyrolyse, bei der ein Plasmabrenner verwendet wird, in dem Methangas bei Temperaturen zwischen 1.000 °C (kaltes Plasma) und 2.000 °C (heißes Plasma) pyrolysiert. Kaltes Plasma führt in der Regel zu einer Methanumwandlung von weniger als 50 % ohne Katalysatoren, während heißes Plasma in der Regel zu einer Umwandlung von über 90 % führt. Das norwegische Unternehmen Kværner (heute Aker Solutions) hat 1997 die erste und einzige kommerzielle Methanpyrolyseanlage mit Heißplasmatechnologie in Betrieb genommen, bei der der erzeugte Wasserstoff in den Plasmabrenner zurückgeführt wurde. Die Anlage wurde 2003 wegen der unzureichenden Qualität des Rußprodukts stillgelegt. Heutzutage ist Monolith Materials das führende Unternehmen. Es nutzt die Heißplasmatechnologie auf der Grundlage des Kværner-Verfahrens und nahm 2020 seine erste Demonstrationsanlage in den USA in Betrieb, in der Ruß als Hauptprodukt hergestellt wird. Gazprom ist das einzige Unternehmen, das derzeit auf dem Gebiet der Plasmatechnologie für die Methanpyrolyse tätig ist - seine Kaltplasmatechnologie wird durch einen Nickelkatalysator unterstützt, um Methanumwandlungswirkungsgrade von 80 % zu erreichen, aber die Technologie befindet sich noch im Labormaßstab.
- Thermische Pyrolyse: Bei der thermischen Pyrolyse spaltet sich Methan bei Temperaturen zwischen 1.000 °C und 1.500 °C in Wasserstoff und Kohlenstoff auf. Der Unterschied liegt in der Art des Reaktors, der für das Verfahren verwendet wird. BASF verwendet einen elektrisch beheizten Wanderbettreaktor, in dem Kohlenstoffgranulat gegen die Gasphasen strömt und das Methan direkt auf dem Granulat bei 1.400 °C pyrolysiert. Das KIT leitet das Methan bei 1.200 °C durch einen flüssigen Zinnblasensäulenreaktor, in dem der gebildete feste Kohlenstoff auf der Flüssigkeit schwimmt und auf nicht näher bezeichnete Weise abgetrennt werden kann. TNO verwendet ebenfalls einen Schmelzmetallreaktor, der bei über 1.000 °C arbeitet und den Ruß mit Hilfe von geschmolzenem Salz aus dem flüssigen Metall abtrennt. Derzeit befinden sich alle Technologieplattformen für die thermische Pyrolyse im Labormaßstab und werden wahrscheinlich nicht vor 2030 den kommerziellen Maßstab erreichen.
- Katalytisch: Bei der katalytischen Pyrolyse wird Methan über einem Metallkatalysator, in der Regel auf Nickel- oder Eisenbasis, bei Temperaturen von weniger als 1.000 °C in Wasserstoff und Kohlenstoff zerlegt. Derzeit ist die Hazer Group der führende Anbieter in diesem Bereich - das Unternehmen verwendet einen Wirbelschichtreaktor mit einem Eisenerzkatalysator, der bei 850 °C arbeitet. Er befindet sich derzeit im Pilotmaßstab und hat keine klaren Ziele für die Kommerzialisierung. C-Zero ist der jüngste Marktteilnehmer auf dem Gebiet der Methanpyrolyse. Die Technologie ist noch unklar, doch scheint das Unternehmen einen katalytischen Prozess sowie geschmolzene Salze zu verwenden, um den festen Kohlenstoff abzutrennen.
Insgesamt ist die Technologielandschaft für die Methanpyrolyse zwischen verschiedenen Technologien zersplittert, ohne dass es einen sicheren Weg gibt. Zwar scheint Monolith Materials mit seiner Plasmatechnologie kurz vor der Marktreife zu stehen, doch der Mangel an Details zu diesem Projekt sowie die schwache kommerzielle Entwicklung des Kværner-Verfahrens hindern uns daran, Plasma als den eindeutigen Gewinner der Methanpyrolyse zu bezeichnen.
BASF und TNO arbeiten aktiv an der Entwicklung ihrer thermischen Pyrolyseplattformen, haben aber zugegeben, dass eine Anlage im kommerziellen Maßstab nicht vor 2030 zu erwarten ist. Die zahlreichen Start-ups, die in diesem Bereich tätig sind, haben in der Regel sehr ehrgeizige Kommerzialisierungsziele und müssen sich erst noch die erforderlichen Partner oder Finanzmittel für die Skalierung ihrer Technologien sichern.
#LuxTake
Da sich die Methanpyrolyse noch in einem frühen Stadium befindet und eine Reihe von Technologien zur Verfügung stehen, steht eine wirtschaftliche Bewertung des Verfahrens noch aus. Aus der Fachliteratur und Gesprächen mit Technologieentwicklern geht hervor, dass die Methanpyrolyse teurer sein wird als blauer Wasserstoff. Befürworter der Technologie weisen jedoch darauf hin, dass sie durch den Verkauf des Kohlenstoff-Nebenprodukts auf dem Markt billiger sein wird als blauer Wasserstoff. Dennoch sollten die Innovatoren vorsichtig sein, denn eine solche Annahme kann sehr tückisch sein.
Der weltweite Rußmarkt wird heute auf 15 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt. Wenn der gesamte Ruß durch Methanpyrolyse gewonnen würde, entspräche dies einer Wasserstoffproduktion von 6 Millionen Tonnen pro Jahr. Dies entspricht gerade einmal 8 % des weltweiten Wasserstoffmarktes. Der weltweite Einsatz der Methanpyrolyse wird daher zu einem Zusammenbruch des Rußmarktes führen und ihn im Grunde wertlos machen.
Unter der Annahme, dass sich die Technologie erfolgreich skalieren lässt und der Ruß nicht auf dem Markt verkauft wird, wird die Entscheidung für den Bau einer Methanpyrolyseanlage oder einer Anlage für blauen Wasserstoff weitgehend von der Handhabung der kohlenstoffbasierten Nebenprodukte und ihren Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Wasserstofferzeugung abhängen. Damit die Methanpyrolyse den Zuschlag erhält, müssen die Kosten für die Handhabung des festen Kohlenstoffs niedriger sein als die Kosten für die Komprimierung, den Transport und die Sequestrierung der CO2-Emissionen aus einer Anlage für blauen Wasserstoff.
Interessierte sollten die Entwicklungen im Bereich der Methanpyrolyse verfolgen, sich aber darüber im Klaren sein, dass die Pyrolyse zwar ihren Anteil am Markt für kohlenstoffarmen Wasserstoff ausmachen wird, es aber unwahrscheinlich ist, dass sie den blauen Wasserstoff vollständig verdrängen wird.