Die Methan-Pyrolyse bietet eine vielversprechende Möglichkeit, kohlenstofffreie Energie bereitzustellen und gleichzeitig CO2 langfristig zu binden. Der Verein zur Dekarbonisierung der Industrie hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese Technologie aus dem Labor in die Praxis zu überführen – mit dem klaren Ziel einer nachhaltigen, emissionsfreien Zukunft.
Von Andreas Bittig, Verein zur Dekarbonisierung der Industrie
Die Dekarbonisierung der Industrie stellt eine der grössten Herausforderungen auf dem Weg zur Klimaneutralität dar. Während die Elektrifizierung im Mobilitätssektor und im Gebäudebereich durch Wärmepumpen voranschreitet, bleibt die Industrie – insbesondere Hochtemperaturprozesse – einer der grössten Emittenten von CO2. Eine umfassende Wasserstoffstrategie wird als Lösung diskutiert, doch infrastrukturelle, technologische und wirtschaftliche Hürden verzögern deren breite Implementierung.
Der Verein zur Dekarbonisierung der Industrie (VzDI) verfolgt den innovativen Ansatz, Methan als Energiequelle zu nutzen, ohne aber CO2 Emissionen freizusetzen.
Entstehung der Initiative
Die Initiative wurde 2022 vom wissenschaftlichen Partner Empa, dem Arealentwickler Tech Cluster Zug und des Geräteherstellers V-ZUG ins Leben gerufen. Ziel ist es, emissionsarme Lösungen für industrielle Prozesse zu entwickeln und in die Praxis zu überführen. Aufgrund des Potenzials des Verfahrens und der hohen Dringlichkeit, weitere Dekarbonisierungslösungen zu finden, konnten noch im Jahr 2022 mehr als ein Dutzend weitere Partner gewonnen werden, die die Gründung des Vereins zur Dekarbonisierung der Industrie ermöglichten. Heute unterstützen die Partner Accelleron, AMAG, AVAG, Empa, Holcim, Kanton Zug, Metall Zug, Partners Group, Sakowin, SHL Medical, Siemens, Sika, Sulzer, Swiss Safety Center, Tech Cluster Zug, V-ZUG, VZ Depotbank und die WWZ die Initiative mit tatkräftiger Mitarbeit und finanzieller Unterstützung.
Die Dekarbonisierung der Industrie stellt eine der grössten Herausforderungen auf dem Weg zur Klimaneutralität dar.
Die Methan-Pyrolyse
Die Methan-Pyrolyse ist ein Verfahren, bei dem Methan (CH4) unter hohen Temperaturen in Wasserstoff (H2) und festen Kohlenstoff (C) gespalten wird, ohne dabei CO2 freizusetzen. Der gewonnene Wasserstoff kann direkt als Energieträger genutzt werden.
Obwohl die Technologie bereits im Labormassstab erfolgreich getestet wurde, ergeben sich Herausforderungen bei der Skalierung:
– Technologische Hürden: Die Reinheit des Wasserstoffs muss für industrielle Anwendungen sichergestellt werden. Insbesondere gilt es, Verunreinigungen durch bestimmte Kohlenstoffverbindungen wie Acetylen oder aromatische Kohlenwasserstoffe möglichst bereits im Prozess zu vermeiden. Gleiches gilt für den Kohlenstoff, der je nach Anwendung hohe Qualitätsanforderungen erfüllen muss.
– Partner- und Komponentenfindung: Die Entwicklung einer voll funktionsfähigen, kontinuierlich betriebenen Anlage im industriellen Massstab erfordert teils neue Ansätze sowie viele Detail-Kompetenzen der Vereinsmitglieder und spezialisierter Partner.
– Infrastrukturanpassungen: Bestehende Verteilnetze und Prozessinfrastrukturen müssen für die Nutzung von Wasserstoff angepasst werden.
Trotz vieler Herausforderungen ist der VzDI optimistisch: Die erste industrielle Anlage mit 10kg Wasserstoff pro Stunde soll voraussichtlich im Sommer 2025 in den Testbetrieb gehen, und im Laufe des Jahres 2026 soll V-ZUG als erster Abnehmer mit Wasserstoff versorgt werden.
Verwertung des Kohlenstoffs als entscheidender Faktor
Ziel der Initiative ist die vollständige Nutzung aller entstehenden Energien und Materialien als Wertstoffe. So wird die Abwärme für Prozess- und Komfortwärme genutzt, während der Wasserstoff als Energieträger für Hochtemperaturprozesse dient. Pro Kilogramm Wasserstoff entstehen rund drei Kilogramm Kohlenstoff. Damit die Kohlenstoffmengen auch bei einer industriellen Hochskalierung sinnvoll genutzt werden können, eröffnen sich verschiedene Anwendungsfelder:
– Carbon Black für industrielle Anwendungen
– Kohlenstoff als Additiv in der Bauindustrie
– Kohlenstoff als elementarer Bestandteil von Humus für eine nachhaltige Landwirtschaft
Die Herausforderung besteht darin, den Kohlenstoff nicht kurzfristig wieder zu verbrennen, da dies erneut CO2 freisetzen würde. Stattdessen muss sichergestellt werden, dass er über Jahrzehnte oder Jahrhunderte stabil gebunden bleibt.
Ab 2026 soll ein erster Abnehmer in der Schweiz versorgt werden. Quelle: Sakowin Green Energy
Kohlenstoff als Baustoff ist ein vielversprechender Ansatz
Eine Analyse industrieller Materialströme zeigt, dass Baustoffe wie Beton, Asphalt und Backsteine grosse Mengen CO2 über lange Zeiträume binden können. Auf dieser Basis prüft die Empa gemeinsam mit einigen der genannten Unternehmen bestehende und neuartige Baustoffe, um den Kohlenstoff aus der Methan-Pyrolyse zu nutzen. Ein vielversprechendes Produkt ist ein leichter Beton, der als Demonstrator bereits im Einsatz ist. Parallel dazu wird Kohlenstoff als Bindemittel für Klebstoffe erprobt.
Kohlenstoff zum Humusaufbau und Klimaschutz
Neben der Nutzung in Baustoffen bietet Kohlenstoff auch grosses Potenzial für den landwirtschaftlichen Einsatz als Bestandteil von Humus. Kohlenstoff fördert die Bildung von Bodenaggregaten, die eine bessere Durchlüftung und Wasserführung ermöglichen. Dies reduziert Erosion, erleichtert die Bodenbearbeitung und fördert das Wurzelwachstum.
Humus mit hohem Kohlenstoffanteil kann zudem grosse Mengen Wasser speichern und über längere Zeiträume verfügbar halten. Dies schützt Pflanzen vor Trockenstress und senkt den Bewässerungsbedarf – ein entscheidender Vorteil angesichts zunehmender Wetterextreme.
Darüber hinaus dient Kohlenstoff als Energiequelle für Mikroorganismen im Boden. Diese spielen eine Schlüsselrolle bei der Zersetzung organischer Substanzen und der Umwandlung von Nährstoffen in pflanzenverfügbare Formen.
Zusätzlich kann Kohlenstoff Schwermetalle, Pestizide und andere Schadstoffe im Boden binden, wodurch deren Mobilität und Bioverfügbarkeit verringert wird. Dies trägt zum Schutz des Grundwassers bei und reduziert Umweltbelastungen.
Die Nutzung von Kohlenstoff aus der Methan-Pyrolyse zur Humusanreicherung könnte also eine innovative Lösung sein, um CO2 langfristig zu binden und gleichzeitig landwirtschaftliche Böden zu verbessern.
Nutzung bestehender Infrastruktur als Erfolgsfaktor
Die Akteure des VzDI verfolgen die Wasserstoffstrategien der Schweiz und anderer europäischer Länder mit grossem Interesse. Um nicht ausschliesslich auf den kosten- und zeitintensiven Aufbau eines Wasserstoffnetzes angewiesen zu sein, setzt der VzDI auf die Nutzung bestehender Erdgasnetze für die Verteilung von Methan. Am Verbrauchsort erfolgt dann die Methan-Pyrolyse, sodass der Wasserstoff direkt genutzt und der Kohlenstoff als Feststoff weiter verarbeitet werden kann. Dies minimiert den Transportaufwand für Wasserstoff erheblich, während der kompakte Kohlenstoff kostengünstig über Bahn- und Strassennetze verteilt werden kann.
Opportunität negativer Emissionen
Der VzDI versucht mit Partnerprojekten in Zug und Oman, negative CO2-Emissionen zu erreichen. Dabei soll CO2 aus der Atmosphäre oder industriellen Quellen entnommen und mittels Elektrolyse Wasserstoff in Regionen mit hoher Sonnen- und Windenergie produziert werden. Anschliessend werden CO2 und Wasserstoff methanisiert und das resultierende Methan über bestehende Erdgasinfrastrukturen (LNG-Tanker, Pipelines) an den Verbrauchsort transportiert. Dort erfolgt die Pyrolyse, wodurch die Energie des Wasserstoffs lokal genutzt und der Kohlenstoff langfristig gebunden bleibt. Dieses Konzept ermöglicht negative CO2-Emissionen und kann damit einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der Atmosphäre leisten.
