KIT-Zentrum Energie: Zukunft im Blick
Physik-Nobelpreisträger Carlo Rubbia besuchte heute das KIT. (Foto: Martin Lober)
Wasserstoff aus Methan herzustellen, ohne dass dabei Kohlen-dioxid entsteht, ist Ziel eines Projekts, an dem das KIT maßgeb-lich beteiligt ist: Im Karlsruher Flüssigmetalllabor KALLA bau-en Forscher einen neuartigen Flüssigmetall-Blasensäulenreak-tor auf, der eingeleitetes Methan unter hoher Temperatur in Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff zerlegt. Das KIT fun-giert dabei als Partner des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS). Heute traf sich der Initiator des Projekts und wissenschaftlicher Direktor des IASS, Nobelpreisträger Profes-sor Carlo Rubbia, am KIT mit Forschern des KALLA, des Insti-tuts für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) und des Instituts für Angewandte Materialwissenschaften – Werkstoffprozeßtechnik (IAM-WPT).
Aus fossilen Brennstoffen Energie gewinnen, ohne dabei den Aus-stoß von klimaschädlichem Kohlendioxid zu verursachen – diese Vision könnte durch das Forschungsprogramm „Verbrennung von Methan ohne CO2-Emissionen“ Wirklichkeit werden. Seit Ende 2012 ist das KIT Partner in dem Programm, das zum Cluster „Erdsystem, Energie und Umwelt“ (E³) am Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potdam gehört. „This is the truly pioneering exper-
Wasserstoff aus Methan ohne CO2-Ausstoß

Dies ist ein wirklich zukunftsweisendes Experiment mit dem Ehr-geiz, fossile Energieträger zu nutzen, ohne dass CO2 frei wird.], sagte der Wissenschaftliche Direktor des IASS und Physik-Nobelpreisträger Professor Carlo Rubbia im Rahmen seines heuti-gen Besuchs am KIT.
Wasserstoff stellt ein aussichtsreiches Medium für Energiespeiche-rung und Energietransport der Zukunft dar. Allerdings ist er nur in gebundener Form verfügbar, nämlich in Wasser (H2O) oder in Koh-lenwasserstoffen wie in Erdöl, Erdgas oder Kohle. Der Wasserstoff muss also zunächst abgespalten werden. Bei herkömmlichen Trenn-verfahren entsteht das klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid. Die heutige weltweite Wasserstoffproduktion verursacht rund fünf Prozent der globalen CO2-Emissionen.
Zur CO2-freien Wasserstoffherstellung setzt das Projekt am KIT auf die thermische Zerlegung von Methan in einem Hochtemperatur-Blasensäulenreaktor. Damit betreten die Karlsruher Forscher wis-senschaftliches Neuland. „Mit dem Projekt haben wir die Chance, an der Entwicklung von Grundlagen für eine völlig neue Energietechno-logie mitzuwirken“, erklärt der Leiter des KALLA, Professor Thomas Wetzel. „Sollte sich die Machbarkeit bestätigen lassen, würde die nachhaltige Herstellung und Nutzung von Wasserstoff sogar aus fossilen Quellen möglich, die bei konventioneller Nutzung klima-schädlich wären.“
Der Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor, der in den kommenden Monaten am KALLA entsteht, ist eine senkrecht stehende Säule von rund einem halben Meter Höhe mit einem Durchmesser von weni-gen Zentimetern. Gefüllt ist die Säule mit flüssigem Metall, das bis auf 1000 Grad Celsius erhitzt wird. Durch einen porösen Körper am unteren Ende wird Methan in feinen Bläschen eingeleitet. Diese steigen an die Oberfläche. „Bei solch hohen Temperaturen zerfällt das Methan in den aufsteigenden Bläschen zunehmend in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff“, erklärt Professor Thomas Wetzel. „Wir werden untersuchen, wie viel Wasserstoff wir durch geschickte Prozeßgestaltung tatsächlich gewinnen können.“
Mit dem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor bauen die KIT-Forscher auf früheren Arbeiten von Professor Carlo Rubbia und Professor Alberto Abánades vom IASS auf. Sie hatten die thermische Zerle-gung von Methan in einem Gasphasenreaktor durchgeführt. Bei dieser Gasphasenreaktion setzt sich der entstehende Kohlenstoff jedoch an den Reaktorwänden ab. Damit werden die Gaskanäle nach kurzer Zeit blockiert, sodass kein kontinuierlicher Prozess

möglich ist. „In dem nun mit den IASS-Kollegen geplanten Reaktor übernimmt die Hülle der Bläschen die Rolle der Wand“, erläutert Thomas Wetzel. „Erst wenn die Bläschen an der Oberfläche des flüssigen Metalls platzen, wird Kohlenstoff frei. Die Reaktorwand erneuert sich sozusagen immer wieder.“ Ein ähnliches Vorgehen wurde erstmals von Forschern um Manuela Serban in einer Arbeit aus dem Argonne National Lab, USA, vor etwa zehn Jahren be-schrieben. Das Verfahren ist seitdem aber nicht weiterentwickelt worden.
Nach dem Aufbau des Versuchsreaktors werden die KIT-Wissen-schaftler noch in diesem Jahr die Wirkung verschiedener Einflusspa-rameter auf die Prozessführung und die mögliche Wasserstoffaus-beute untersuchen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten am KIT liegt auf grundlegenden wissenschaftlichen Fragen, beispielsweise nach der Identifizierung der Reaktionspfade, welche die Zusam-mensetzung des Produktgasstroms beeinflussen und nach Möglich-keiten, den Kohlenstoff aus dem Reaktor zu entfernen. Parallel dazu befassen die Forscher sich mit der Materialauswahl für mögliche zukünftige industrielle Reaktoren, der Filtertechnik und der Entwick-lung von Sonden für eine spätere kontinuierliche Prozessführung.
In der Energieforschung ist das Karlsruher Institut für Techno-logie (KIT) eine der europaweit führenden Einrichtungen. Das KIT unterstützt die Energiewende und den Umbau des Energie-systems in Deutschland durch seine Aktivitäten in Forschung, Lehre und Innovation. Hier verbindet das KIT exzellente tech-nik- und naturwissenschaftliche Kompetenzen mit wirtschafts-, geistes- und sozialwissenschaftlichem sowie rechtswissen-schaftlichem Fachwissen. Die Arbeit des KIT-Zentrums Energie gliedert sich in sieben Topics: Energieumwandlung, erneuerba-re Energien, Energiespeicherung und Energieverteilung, effizi-ente Energienutzung, Fusionstechnologie, Kernenergie und Sicherheit sowie Energiesystemanalyse. Klare Prioritäten lie-gen in den Bereichen Energieeffizienz und erneuerbare Ener-gien, Energiespeicher und Netze, Elektromobilität sowie dem Ausbau der internationalen Forschungszusammenarbeit.

Die Klimageschichte der Nordpolarregion konnte erstmals anhand eines
arktischen Bohrkerns rekonstruiert werden. Absolut neu und überraschend
ist, dass sich die Arktis wesentlich früher abgekühlte, als bisher
angenommen. In der Bohrung auf dem Lomonosow-Rücken hat man
eistransportiertes Material in Ablagerungen gefunden, die 45 Millionen
Jahre alt sind. Erste Teile der Antarktis begannen ebenfalls vor rund
43 Millionen Jahren zu vereisen. Die Wissenschaftler leiten daraus ab,
dass die Abkühlung der Erde seit etwa 50 Millionen Jahren durch
entsprechende Prozesse an beiden Polen gesteuert wurde. Die unter
Mitarbeit von Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Instituts in
Bremerhaven gewonnenen Erkenntnisse wurden jetzt im
Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht.

Die bisherige Rekonstruktion der Langzeit-Klimageschichte der Erde
beruht überwiegend auf geologischen Informationen aus nicht-polaren
Breiten. Aufgrund der logistischen Herausforderungen waren
entsprechende Archive aus den polaren Gebieten nur schwer zu gewinnen.
Im Spätsommer 2004 wurden drei Eisbrecher eingesetzt, um einen 400
Meter langen Sedimentkern vom dem in der zentralen Arktis gelegenen
Lomonosow-Rücken zu erhalten.

Bereits vor dieser Tiefbohrung war bekannt, dass sich die Erde vor 100
Millionen Jahren abzukühlen begann. Die vorhandenen Klimadaten
suggerierten, dass die Abkühlung durch die Vereisung in der Antarktis
gesteuert wurde. Die Arktis kühlte nach diesem Modell erst sehr viel
später vor rund zehn Millionen Jahren ab. In der Bohrung auf dem
Lomonosow-Rücken fand sich eistransportiertes Material in Ablagerungen,
die 45 Millionen Jahre alt sind. Dies bedeutet, dass Meereis in der
Arktis wesentlich früher aufgetreten ist, als bisher angenommen. Erste
Teile der Antarktis begannen ebenfalls vor rund 43 Millionen Jahren zu
vereisen. Die Autoren leiten daraus ab, dass die Abkühlung der Erde
seit etwa 50 Millionen Jahren durch entsprechende Prozesse an beiden
Polen gesteuert wurde.

Dieser generelle Abkühlungstrend führte dann zur ersten massiven
Vereisung der Antarktis vor ungefähr 14 Millionen Jahren. Aufgrund der
globalen Abkühlung vor 3,2 Millionen Jahren begann dann ebenfalls
Grönland zu vereisen. Aus der zeitlichen Synchronität der Ereignisse in
der Arktis und Antarktis leiten die Autoren ab, dass für die generelle
Abkühlung der Erde überwiegend Treibhausgase wie Methan und
Kohlendioxyd verantwortlich waren. Die Öffnung von Meeresstrassen, wie
die Drake Passage im Süden und die Framstrasse im Norden, hatten
offensichtlich einen geringeren Einfluss auf das Weltklima als bisher
gedacht.

Die erste wissenschaftliche Tiefbohrung im arktischen Ozean fand etwa
225 Kilometer vom Nordpol entfernt statt. Meterdicke Packeisrücken und
große Treibeisschollen erschwerten die Arbeiten. Voraussetzung für
diese Mission waren seismische Daten, die im Jahr 1991 während einer
internationalen Arktisexpedition mit den Eisbrechern Polarstern und
Oden entlang des Lomonosow-Rückens erhoben wurden. Bisher standen aus
dieser Region nur Kurzkerne von weniger als 15 Metern zur Verfügung.
“Die in dem 400 Meter langen Bohrkern enthaltenen Sedimente geben
Aufschluss über die Klima- und Umweltgeschichte des Arktischen Beckens
während der letzten 55 Millionen Jahre³, sagt Prof. Dr. Rüdiger Stein
vom Alfred-Wegener-Institut. “Die Kurzkerne lassen keine direkten
Aussagen über die längerfristige Klimageschichte zu. Nur anhand des
neuen Sedimentkerns können wir den Übergang von einem frühen
(alttertiären) eisfreien zu einem eisbedeckten Arktischen Ozean, wie
wir ihn heute kennen, erklären.³ Das Verständnis der Ursachen dieser

langfristigen Klimaänderungen ist auch von großer Bedeutung, um die
aktuell beobachteten Umweltveränderungen in der Arktis zu verstehen.

Bis zur Tiefbohrung in der Arktis war auch unbekannt, ob das Klima in
der Nordpolarregion vor etwa 55 Millionen Jahren erheblich wärmer war
als heute., wie es Untersuchungen aus nicht-polaren Regionen für das
globale Klima zeigten. Aus den arktischen Sedimenten lässt sich
ablesen, dass in diesem Zeitraum etwa 50 Prozent des heutigen
arktischen Ozeans noch nicht existierte und die Wassertemperaturen bei
maximal 24 Grad Celsius lagen. Vor und nach diesem Klimaoptimum lagen
die Wassertemperaturen in der Arktis nur bei 18 Grad Celsius.

Integrated Ocean Drilling Programm – IODP

Die Bohrkampagne wurde im Rahmen des internationalen Bohrprogramms
“Integrated Ocean Drilling Program – IODP³ durchgeführt. Die
wissenschaftliche Leitung dieser Expedition lag bei Prof. Jan Backman
von der Universität Stockholm und Prof. Kate Moran von Rhodes Island.

Mehr Informationen zum IODP finden Sie unter www.bgr.de/iodp/home.htm ,
www.rcom.marum.de/Arktische_Bohrexpedition_2004_ACEX.html oder auf den
internationalen Seiten www.iodp.org/