Wasserstoff aus Methan

Haben ein paar junge Ingenieure das energietechnische Ei des Kolumbus gefunden?

Wasserstoff aus Methan herzustellen, eine geniale Idee: Wäre es ein paar Tage früher in der Frankfurter Rundschau gestanden, hätten Leute mit einem naturwissenschaftlich-technischen Hintergrund es für einen Aprilscherz halten können. Es wäre allerdings ein typischer Insiderwitz gewesen. Die meisten Menschen nämlich besitzen annähernd so wenig Ahnung von Physik und Chemie wie die Politiker, welche die viel gepriesene Energiewende mithilfe von „Grünem Wasserstoff“ herbeischwurbeln und herbeiträumen zu können meinen.

Über diesen Wasserstoff aus Methan steht nun also in einem direkt enthusiastischen Artikel in der Frankfurter Rundschau zu lesen. Natürlich wird hier nicht kritisch hinterfragt, was aber nicht verwundert. Dass wir irgendwelche, auch nur grundlegenden naturwissenschaftlich-technischen Kenntnissen beim Durchschnittsjournalisten nicht voraussetzen können, dürfte unter Ingenieuren und Wissenschaftlern ja auch allgemein bekannt sein.

Sei dem also wie es sei. Schauen wir uns lieber die eigentlichen Fakten zur Idee, Wasserstoff aus Methan herzustellen, ein wenig genauer an.

Wasserstoff aus Methan – Goldmacherei im 21. Jahrhundert?

Dass nun natürlich CO₂ per se böse ist, weil für die Klimaerwärmung verantwortlich, werden wir hier auch nicht anzweifeln. Das lernen nämlich ja schon die Kinder in der Schule und nachdem es so ja auch in der Wikipedia steht, kann es ja schließlich nichts anderes als die Wahrheit^TM sein. Sehen wir uns diese Idee, Wasserstoff aus Methan herzustellen, also einmal ganz nüchtern und ohne den ihr eigentlich gebührenden, beißenden Hohn an.

Man kann auf die Idee, Wasserstoff sei der Energieträger der Zukunft, eigentlich nur kommen, wenn man Scheuklappen aufhat, die den Blick auf sämtliche anderen „klimafreundliche“ Energieträger verhindern. Und ihr aufsitzen, wenn man als politischer Entscheidungsträger den Sachverstand von Kinderbuch-Co-Autoren, abgebrochenen Jura-Studentinnen oder nicht ganz fertigen Doktrices der Politikwissenschaften sein Eigen nennt.

Politikern aller Parteien kann man nämlich offenbar ohne weiteres Dinge erzählen, wie sie Alchimisten früherer Jahrhunderte Fürsten erzählten, um an das Geld zu kommen, dass diese ihren Untertanen abpressten. Nämlich dass man aus Scheiße oder sonstigen billigen Grundstoffen eitel Gold erzeugen könne. Man könnte es auch anders ausdrücken: Aus Methan Wasserstoff zu gewinnen ist ungefähr das gleiche wie anstatt mit elektrischem Strom nicht etwa ein Elektromotor anzutreiben, sondern eine Dampfkessel zu heizen, um dann die Drehbewegung mittels einer Dampfmaschine zu erzeugen.

Ist das eigentlich noch niemandem aufgefallen?

Der Knackpunkt, warum es eine Schnapsidee ist, Wasserstoff aus Methan zu erzeugen, erschließt sich einem nur, wenn man weiß, was Methan ist. Beziehungsweise, dass es nichts anderes als Erdgas ist. Der Energieträger, den wir zur Zeit teuer bezahlen, weil wir ihn nicht mehr per Pipeline direkt aus Russland beziehen. Sondern auf dem Umweg über andere Länder und diverse Zwischenverkäufer, wobei er zwar exorbitant teurer wird, aber nicht knapp. Und natürlich nach wie vor die Kriegskasse von Mama Putins pösem, kleinem Pupen Waldemar aus unseren Taschen füllt.

Dass der entscheidende und Hauptbestandteil von Erdgas Methan ist, habe ich unlängst in dem Artikel über den Ersatz von Erdgas durch Wasserstoff beleuchtet. Erdgas, also Methan, ist ein ziemlich sauberer Energieträger, der allerdings den Nachteil hat, dass er ein fossiler Brennstoff ist. Was ja bedeutet, dass es den CO₂-Gehalt der Atmosphäre erhöht, wenn man ihn verbrennt.

Da es nun ein funktionierendes und bewährtes Erdgasnetz gibt, und sich Erdgas leicht speichern lässt, ist es das nächstliegende, das klimaschädliche „echte“ Erdgas durch CO₂-neutrales Methan zu ersetzen. Und nicht durch Wasserstoff, der einen deutlich niedrigeren Energiegehalt als Methan hat. Es ist also sinnvoller, mithilfe von Wasserstoff Methan zu synthetisieren, als den Wasserstoff aus der chemischen Verbindung Methan herauszuziehen.

Das Problem beim Sabatierprozess – Und seine Lösung

Es gibt ein gewisses Problem, wenn man das „klimaschädliche“ Erdgas durch klimaneutrales Methan ersetzen will. Mithilfe des Sabatierprozesses kann man aus Wasserstoff und CO₂ Methan erzeugen. Dass das Methan genauso wie Erdgas, beim Verbrennen CO₂ freisetzt ist aber nicht das Problem, wenn man das CO₂ für den Sabatierprozess aus der Luft entnommen hat. Denn dann ist ja die CO₂-Bilanz genauso ausgeglichen, wie wenn man Biomasse – zum Beispiel Holz – zur Energiegewinnung verbrennt.

Das Problem besteht vielmehr darin, dass man Grünen Strom benötigt, um den Wasserstoff und das CO₂ für den Sabatierprozess zu gewinnen, wenn das erzeugte Methan klimaneutral sein soll. Und der Grüne Strom ist knapp. Es ist nun zwar machbar, unseren Bedarf an elektrischer Energie mit Wind und Sonne zu decken. Der Energiebedarf in Form von Erdgas ist aber mehrfach so groß wie der in Form von Elektrizität und den können wir mithilfe nur unseres eigenen Wind- und Sonnenstroms weder über Wasserstoff noch über Methan decken.

Nun ist der Wirkungsgrad der Methanerzeugung mithilfe des Sabatierprozesses nicht wirklich berauschend. Daher wäre es in der Tat Verschwendung, bei uns erzeugten Grünen Strom zur Methanherstellung zu benutzen. Es gibt nun aber Gegenden auf diesem Planeten, wo man mit solarthermischen Kraftwerken spottbillig praktisch beliebig viel Strom aus Sonnenenergie erzeugen kann.

Erzeugt man dort dann mithilfe dieses Sonnenstroms Methan – oder auch andere synthetische Kohlenwasserstoffe zum Ersatz von Erdöl – spielt der schlechte Wirkungsgrad keine wirkliche Rolle mehr. Im Gegensatz zum Sonnenstrom aus der Wüste selbst lassen sich damit erzeugtes Methan, künstliches Benzin und künstlicher Diesel jedoch problemlos mit bereits vorhandenen, erprobten und bewährten Technologien, Tankern und Pipelines, an die Märkte in den Industriestaaten bringen.

Wasserstoff aus Methan – Energiegewinn oder Energieverschwendung?

Die genialen Ingenieure der Firma BtX energy GmbH, die Wasserstoff aus Methan erzeugen, verwenden dazu nun Biogas. Hier gibt es nämlich noch ein ungenutztes Potenzial: Aus Mist und Gülle kann man auch Biogas erzeugen, was aber kaum gemacht wird. Natürlich fragt man sich da ganz nebenbei, wieso die ökologisch fragwürdige Produktion von Energiemais gefördert wird, wenn die ebenfalls auf jeden Bauernhof mögliche Biogaserzeugung aus Mist und Gülle nicht ausgeschöpft wird. Das ist aber eine andere Geschichte.

Biogas ist ja auch Methan und kann daher Erdgas ersetzen. Und zwar auch wieder klimaneutral, weil das CO₂, das bei der Verbrennung von Biogas entsteht, letztendlich aus den Pflanzen stammt, die von dem Mist machenden Vieh gefressen wurden. Also letztendlich auch wieder aus unserer Atmosphäre entnommen wurde.

Nun gehen unsere genialen Ingenieure von BtX energy her und holen den Wasserstoff aus dem Methan des Biogases heraus. Das ist für sie der Stein der Weisen (der übrigens beim Abzocken der Fürsten in alten Zeiten durch Alchimisten auch eine Rolle spielte). Dass man dazu aber Energie braucht spielt ja schließlich keine Rolle. Um den Wasserstoff aus Methan zu gewinnen braucht man Wasserdampf. Und um diesen zu erzeugen, einen ganzen Haufen Energie. Macht aber wohl nix, dafür können wir ja Strom aus der Steckdose nehmen. Und der ist natürlich lokal bei uns klimaneutral und umweltfreundlich, weil die Atom- und Kohlekraftwerke, aus denen er stammt, ja nicht mehr bei uns sondern in anderen Ländern stehen. Danke übrigens, liebe Ampel!

Und das CO₂ im Biogas?

Ein kleines Problem beim Ersatz von Erdgas durch Biogas ist, dass Biogas neben einigen anderen Verschmutzungen einen recht großen Anteil an CO₂ enthält. Dieses lässt sich jedoch recht gut abspalten, sodass man das erzeugte Methan ins Erdgasnetz einspeisen kann. Dann hat man gleichzeitig CO₂, welches zusammen mit Grünem Wasserstoff auch wieder zur Methangewinnung werden kann.

Genau genommen muss man das CO₂ aus dem Biogas gar nicht einmal entfernen, wenn man es für den Sabatierprozess benutzen möchte. Man kann diesen nämlich auch mit dem CO₂-haltigen Biogas speisen. Dass darin bereits enthaltene Methan stört nämlich nicht. Das CO₂ im Biogas wird mit dem ebenfalls zugeführten Wasserstoff zu Methan. Und das bereits enthaltene Methan wird davon nicht berührt. Man leitet also ein Gemisch aus Methan und CO₂ in den Prozess ein und erhält reines Methan – also wiederum künstliches und daher klimaneutrales Erdgas.

Gutes Biogas kann bis zu 75 % Methan enthalten. Der Rest ist überwiegend CO₂. Außer Wasserdampf ist aber alles andere nur in sehr geringen Mengen enthalten, die für den Energiegehalt kaum eine Rolle spielen. Sowohl Wasserdampf als auch zum Beispiel Ammoniak und Schwefelwasserstoff sollte man aber entfernen. Sie können Leitungen und Armaturen durch Korrosion beschädigen.

Das CO₂ muss eigentlich nicht unbedingt (vollständig) raus, wenn es keinen so großen Anteil am jeweiligen Biogas hat. Bei beispielsweise 70 % Methan und 30 % CO2 hätte man 70 % des Heizwertes von reinem Methan. Das wären etwa 7 kWh/m³. Damit liegt man über dem Heizwert einer Mischung aus Halbe/Halbe Erdgas und Wasserstoff (etwa 6 kWh/m³) und erst recht über dem von Stadtgas (etwa 5 kWh/m³). Biogas als Ersatz für Erdgas würde also in manchen Fällen auch ohne Abscheidung des CO₂ funktionieren.

Wasserstoff aus Methan als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen

Diese seltsame Idee, Wasserstoff aus Methan herzustellen, ist eine der kuriosen Blüten, die der unverständliche, derzeit immer noch herrschende Wasserstoff-Hype treibt. Ein Gedanke der wackeren Leutchen bei BtX energy ist nun laut dem besagten Artikel in der Frankfurter Rundschau, den aus Biogas erzeugten Wasserstoff für den Antrieb von Omnibussen zu verwenden. Was an Mist und Gülle nämlich bei uns entsteht wird kaum für die Biogaserzeugung genutzt. Täte man es, würde es deren Energiebedarf nämlich etwa fünfmal decken.

Das Argument, dass Methan aus Wasserstoff und CO₂ als Brennstoff schlechter sei als die direkte Verwendung des Wasserstoffs, weil der Sabatierprozess einen schlechten Wirkungsgrad hat, ist in gewisser Weise verständlich. Man handelt sich dafür aber zwei Probleme ein: Zum einen braucht es ausgefuchste Materialien für Druckbehälter, die Wasserstoff enthalten sollen. Das winzig kleine Wasserstoffmolekül krabbelt nämlich zwischen den Eisen- und Kohlenstoffatomen einer herkömmlichen Stahlwandung hindurch. In Stahlbehältern wie sie für andere Gase üblich sind, kann man ihn daher nicht aufbewahren.

Zum anderen hat Wasserstoff zwar einen hohen Energiegehalt pro Kilogramm, ist aber sehr leicht. Daher hat 1 m³ Wasserstoff bei gleichem Druck einen lächerlich geringen Energiegehalt gegenüber 1 m³ Butan oder Propan. Man muss ihn also irrsinnig komprimieren, damit ein Tank in der Größe eines Benzintanks in einem herkömmlichen Auto für eine ähnliche Reichweite auslangt wie man sie von einem Benziner oder einem Diesel gewöhnt ist.

Methan ist zwar auch recht leicht und hat daher keinen wirklich berauschenden Energiegehalt pro Kubikmeter. Hier reicht aber etwa der halbe Druck für einen entsprechenden Vorrat an Bord eines Kraftfahrzeuges. Und als Behälterwandung tut es ein für Druckbehälter geeigneter Stahl.

Und wenn man nun unbedingt eine Brennstoffzelle plus Elektromotor anstatt eines Verbrennungsmotors haben möchte? Das kann man ebenfalls durchaus auch mit Methan haben. Es gibt nämlich Brennstoffzellen für Methan, die auch in kleinen Kraft-Wärmekopplungs-Erdgaskraftwerken verwendet werden.

Wasserstoff aus Methan – was sagt der Chemielehrer dazu?

Wie funktioniert die Erzeugung von Wasserstoff aus Methan nun von der Chemie her? Die folgenden Formeln muss man nicht unbedingt verstanden haben. Sie sind für diejenigen gedacht, die es genau wissen wollen. Und natürlich dafür, dass niemand behaupten kann, ich hätte die Zahlen, die ich hier gleich verwende, aus der Luft gegriffen.

Die chemische Reaktion bei der Wasserstoff aus Methan entsteht, sieht als stöchiometrische Gleichung so aus:
CH₄ + 2 H₂O => CO₂ + 4 H₂
Aus einem Methanmolekül und zwei Wassermolekülen entstehen ein CO₂ Molekül und vier Wasserstoffmoleküle. Wie sieht das nun aber im Hinblick auf die Massen aus? Mit den Molekülen herum zu rechnen, bringt uns ja noch nicht die Antwort auf die wirkliche Frage. Auf die nämlich, aus wie viel Kilogramm irgendwelcher Ausgangsstoffe wie viel Kilogramm des oder der Endprodukte(s) werden.

Und wie sieht das Ganze mengenmäßig aus?

Hier bringen wir nun den Begriff des Mols ins Spiel. Ein Mol eines Stoffes sind 6,022 × 10²³ Teilchen – also Atome oder Moleküle. Der Witz dabei ist, dass ein Mol eines bestimmten Stoffes immer seine Atom- oder Molekülmasse in Gramm ergibt. Da die Masse eines Atoms in etwa durch die Anzahl seiner Protonen und Neutronen bestimmt wird und ein Neutron die gleiche Masse hat wie ein Proton, kann man auch sagen, dass in 1 g Masse immer 6,022 × 10²³ Protonen oder Protonen und Neutronen enthält.

Wenn man die Anzahl der in einem chemischen Element oder einer Verbindung enthaltene Protonen und Neutronen zusammenzählt und diese Summe als Gramm auffasst, erhält man die Masse eines Mols von diesem Element bzw. dieser Verbindung. Das funktioniert aber auch mit Kilogramm. Das ist für die Technik meist geschickter als wenn man mit Gramm rechnet. Dann spricht man vom Kilomol, welches dann eben 6,022 × 10²⁶ Teilchen des chemischen Elements bzw. der Verbindung enthält.

Ein Kilomol Kohlenstoff entspricht also 12 kg dieses Stoffes, weil Kohlenstoff eine Atommasse von 12 hat. Wasserstoff hat die Atommasse 1. Für die vier Wasserstoffatome, die in einem Methanmolekül enthalten sind, kommen also noch 4 kg zu den 12 kg Kohlenstoff hinzu, sodass ein Kilomol Methan 16 kg Masse hat. Ein Kilomol Wasser hat 2 x 1 + 1 x 16 = 18 kg Masse. Zwei Kilomol benötigen wir laut der Reaktionsgleichung. Daher benötigen wir für die 16 kg Methan 36 kg Wasser(dampf), wenn alles restlos umgewandelt werden soll.

Aus diesen Ausgangsstoffen entstehen dann ein Kilomol CO₂ und vier Kilomol H₂. Zählen wir für beide Verbindungen wieder die Molmassen zusammen: Für das CO₂ sind das 12 + 2 x 16 = 44 kg und für den Wasserstoff 4 x 2 = 8 kg – denn der Wasserstoff kommt ja nach dem Brauchtum der Gase als Moleküle aus zwei Wasserstoffatomen daher.

Kurz zusammengefasst: 16 kg CH₄ + 36 kg H₂O => 44 kg CO₂ + 8 kg H₂

Methan aus Wasserstoff – Wie sieht es da mit dem Heizwert aus?

Interessant an diesen Massen sind hinsichtlich der Energie natürlich die des eingesetzten Methans und die des gewonnenen Wasserstoffes. Wir setzen also 16 kg Methan ein, um 8 kg Wasserstoff zu erzeugen. Da nun Methan einen Heizwert von 50 MJ/kg besitzt haben wir 800 MJ Energie in Form von Methan eingesetzt.

Wasserstoff hat einen Heizwert von 120 MJ/kg, wir erhalten also 960 MJ Energie in Form von Wasserstoff. Die „gewonnenen“ 160 MJ haben wir selbstverständlich nicht geschenkt bekommen. Es gilt natürlich auch hier wie überall der Erste Hauptsatz der Thermodynamik. Diese zusätzliche Energie stammt natürlich aus dem verwendeten Wasserdampf, der sich bei diesem Prozess abkühlt.

Natürlich bedeutet dies auch, dass wir diese 160 MJ die im Wasserstoff jetzt zusätzlich vorhanden sind, dem Prozess zuführen müssen. Und zwar mit dem Wasserdampf, den wir für den Prozess benötigen. Und den wir vorher natürlich mithilfe von Wärme erzeugen müssen. Nun soll das Ganze aber nicht wieder böse zum Klima sein. Also müssen wir hierfür entweder Grünen Strom verwenden oder einen Teil des Biogases, das eigentlich zur Wasserstoffgewinnung dienen sollte.

Verwenden wir Grünen Strom, machen wir aus vielseitig verwendbarer elektrischer Energie schnöde Wärme. Das ist schon mal Blödsinn. Dafür können wir aber überschüssigen Wind- oder Sonnenstrom nutzen. Im Prinzip kann man ja das Biogas zunächst speichern und den Prozess immer dann laufen lassen, wenn wir zu viel Wind- und/oder Sonnenstrom haben.

Mit der Dampferzeugung per Biogas aber verplempern wir Methan, das ja eigentlich in Wasserstoff umgewandelt werden soll. Beide Male aber verwandeln wir den sehr gut speicherbaren Energieträger Methan in Wasserstoff, der sich schlecht speichern lässt. Dazu kommt in beiden Fällen, dass es bei diesem Prozess selbstverständlich auch Wärmeverluste gibt. Und das bedeutet schließlich, dass wir für die Umwandlung von den gedachten 16 kg Methan in 8 kg Wasserstoff mehr als diese 160 MJ aufbringen müssen, die nachher im Wasserstoff mehr vorhanden sind als im Methan.

Es wird also Energie verplempert. Vielleicht nicht so übermäßig viel? Mag sein. Aber, wenn Energie so knapp ist, dass wir nicht einmal mehr warm duschen sollen, muss auch das gesagt werden.

Wasserstoff aus Methan – Was bedeutet das für den Steuerzahler?

Wir stellen nun also fest, dass die Idee, Wasserstoff aus Methan zu machen, lupenreiner Schrott ist. Nun könnte es uns ja egal sein, wenn ein Unternehmen hier sein Geld blödsinnig verpulvert. Das Dumme ist aber, dass dieser Unfug – wie auch andere Utopien rund um den Wasserstoff – staatlich gefördert wird. Kann man auf der Website des Unternehmens nachlesen. Es ist nur so, dass die Fördermittel derzeit eingefroren sind. Und zwar weil die Ampel mit ihrem Haushalt ja bekanntlich vor die Pumpe gelaufen ist und jetzt überall gespart werden muss.

Das ändert aber nichts daran, dass bei der Bewilligung der Fördermittel Leute am Werk gewesen sein müssen, die absolut ahnungslos sind. Bei Beamten und Politikern braucht man sich darüber ja nicht zu wundern. Was ich mich frage, ist etwas anderes: Die Macher solcher genialen Projekte, rund um den Wasserstoff, sind keine Laien, sondern Ingenieure und dergleichen. Ich bin nun auch ein Ingenieur. Ich habe aber lediglich Mittelstufen-Chemie und -Physik heranziehen müssen, um zu zeigen, warum diese Idee eine Schnapsidee ist. Diese Leute, die hier am Werk sind, sollten also eigentlich wissen, dass das, was sie da machen, nichts taugt.

Man soll bekanntlich nichts auf Böswilligkeit zurückführen, was sich mit Dummheit erklären lässt. Halten wir es daher für möglich, dass selbst Fachleute ein derartiges Brett vor dem Kopf haben können. Dass die Wasserstoff-Adepten tatsächlich von der Sinnhaftigkeit ihres Unterfangens überzeugt sind.

In jedem Falle werden mit Projekten die den energiearmen und schwer handlebaren Wasserstoff dem problemarmen Methan vorziehen, wenn die Fördergelder irgendwann wieder fließen, Gelder verbraten, die in der Entwicklung von Techniken mit Methan bessere Verwendung fänden.