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In Wochen statt Jahrmillionen: Erdgas aus Wasserstoff

Nachhaltigkeit als Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt hat sich die Montanuniversität Leoben auf ihre Fahnen geschrieben. Eines der vielen Projekte, die bereits am Laufen sind, ist die Erzeugung von Erdgas aus Wasserstoff und CO2. Was im Untergrund Millionen Jahre dauerte, können die Wissenschaftler in wenigen Wochen erreichen. Dabei werden nicht das Labor, sondern natürliche Erdgaslagerstätten benutzt.

Wozu die Natur viele Millionen Jahre gebraucht hat, das können österreichische Forscher in wenigen Tagen oder höchstens ein paar Wochen vollbringen: Erdgas erzeugen. Und das nicht etwa im Labor, sondern in den natürlichen Lagerstätten, zum Beispiel im Gasfeld Lehen bei Attnang-Puchheim in Oberösterreich.

„Underground Sun Conversion“ nennt sich das zukunftsweisende Forschungsprojekt, das 2017 begonnen wurde und mittlerweile abgeschlossen ist. Unter der Federführung der Rohöl-Aufsuchungs AG RAG und unterstützt vom Infrastrukturministerium und dem Klima- und Energiefonds wurden ganze Erdzeitalter quasi im Schnelldurchlauf absolviert. Beteiligt an dem Forschungsprojekt waren auch Experten der Montanuniversität Leoben rund um das Team von Markus Lehner, der den Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes in Leoben innehat.

„Wasserstoff wird für gewöhnlich aus Erdgas, also Methan oder CH4, gewonnen. Wir sind den umgekehrten Weg gegangen“, schildert Lehner. Die Forscher haben Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 in eine vorhandene Erdgaslagerstätte gepumpt. Dort, in mehreren Tausend Metern Tiefe, existieren Mikroorganismen, die aus den beiden Stoffen CH4 und Wasser bilden.

Das Besondere an dem Verfahren ist, dass sogenannter grüner Wasserstoff verwendet wird, der mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wurde. Das CO2 wiederum stammt aus der Industrie, wo es in Stahlwerken oder bei der Zementerzeugung freigesetzt wird.

„Die Mikroorganismen in den Erdgas führenden Schichten sind dieselben, die auch in Biogasanlagen zum Einsatz kommen. Sie sind dort schon vorhanden. Sie sind sozusagen unterirdische Reaktoren“, schildert Lehner. Der Prozess der Erdgasbildung dauere länger als im Labor. „Wir reden von maximal ein paar Wochen, also immer noch einem sehr überschaubaren Zeitraum, wenn man es mit der natürlichen Bildung von Erdgas aus abgestorbenem Pflanzenmaterial vergleicht, das vor Jahrmillionen unter dicken Gesteinsschichten begraben wurde.“

Mehrere Hunderttausend Kubikmeter Wasserstoff wurden im Rahmen des Forschungsprojektes in die gasführenden Schichten von Lehen gepresst. 30 bis 100 Bar Druck und rund 50 Grad Celsius herrschen in dem porösen Gestein, in dem das Gas eingeschlossen ist. „Das Deckgebirge, also die Gesteinsschichten darüber, verhindern, dass das Erdgas austritt. Das gilt auch für das von uns neu erzeugte. Wir benutzen den natürlichen Speicher, der schon das natürlich entstandene CH4 über viele Millionen Jahre sicher im Boden gehalten hat.“

Derzeit, so Lehner, sei das Verfahren noch nicht wirtschaftlich. „Natürliches Erdgas ist sehr billig, insbesondere, weil es darauf noch keine CO2-Bepreisung gibt. Grüner Wasserstoff dagegen ist teuer, weil die Elektrolyse energieintensiv ist und es gar nicht so viele Anlagen dafür gibt.“ Technoökonomen hätten allerdings berechnet, dass die grüne Art der Erdgaserzeugung ab 2030 oder 2040 eine wirtschaftliche Option darstellen könnte, wenn es bis dahin zu einer CO2-Besteuerung kommt.

Ein weiteres Projekt zur Nachhaltigkeit, das an der Montanuni betrieben wird, ist die Methanpyrolyse. Dabei wird CH4 in festen Kohlenstoff C und Wasserstoff H2 zerlegt. 800 bis 1.100 Grad Celsius sind dafür notwendig. „Wir leiten dafür das Methan durch ein flüssiges Metallbad und erzeugen so Wasserstoff. Der Kohlenstoff kann für viele Dinge verwendet werden“, beschreibt Lehner das Verfahren. Der Vorteil sei, dass man nur ein Viertel der Energie aufwenden müsse, der für die Wasserelektrolyse nötig sei. „Es müssen noch einige Probleme gelöst werden, zum Beispiel Kohlenstoffablagerungen, die den Prozess stören, und wir brauchen eine Skalierung vom Labormaßstab auf industrielle Anwendbarkeit.“

Insgesamt setzt die Montanuniversität stark auf das Thema Nachhaltigkeit. „Die großen gesellschaftlichen Herausforderungen im Bereich Ressourcenknappheit, Klima, Energie und Umwelt müssen überwiegend mit technisch-naturwissenschaftlichen Methoden bewältigt werden. Die Montanuniversität Leoben sieht ihre Aufgabe darin, durch exzellente Wissenschaft und hervorragende Bildung dazu signifikante Beiträge zu leisten“, heißt es einem Strategiepapier, das die Ausrichtung im Jahr 2020 beschreibt.

Dabei konzentriert man sich auf drei Themenfelder. Advanced Resources beschäftigt sich mit mineralischen Rohstoffen. „Die Erforschung der Entstehung, Gewinnung und nachhaltigen Nutzung von festen, flüssigen und gasförmigen Rohstoffen ist vor dem Hintergrund des steigenden Rohstoffbedarfs der Menschheit und wachsender Ressourcenknappheit von größter gesellschaftlicher Relevanz“, ist man in Leoben überzeugt. Entwickelt werden sollen unter anderem neue Verfahren zum Aufspüren von Rohstoffen, energieeffiziente Bergbaumethoden, Technologien zur innovativen Nutzung von Rohstoffen und bessere Methoden der Energieversorgung.

Im Bereich Smart Materials will die Montanuni smarte Werkstoffe und Werkstoffsysteme mit neuen Funktionalitäten und verbesserter Leistung bei gleichzeitig möglichst geringem Ressourcenverbrauch und kleiner Umweltbelastung bei der Herstellung entwickeln. Dazu sei ein vertieftes Verständnis des inneren Aufbaus und der damit verknüpften Eigenschaften von Werkstoffen wie Metallen, Keramik oder Polymeren notwendig.

Der dritte Schwerpunkt ist Sustainable Processing. Hier sollen lineare Prozessketten in der Industrie durch geschlossene Kreisläufe ersetzt werden. Die Kernkompetenzen der Montanuniversität Leoben, die sich entlang des gesamten Wertschöpfungskreislaufs vom Rohstoff zum fertigen Produkt bis zum Recycling erstrecken, ermöglichen ein ganzheitliches Herangehen an diese technologischen Herausforderungen“, ist man in Leoben überzeugt. Gearbeitet wird hier an der Vernetzung von Recyclingsystemen, Dekarbonisierung, der Optimierung von Prozessen, was den Energieverbrauch anbelangt, oder eben Wasserstoff als Energieträger der Zukunft.

Mehr Informationen:
www.unileoben.ac.at

Foto: Die Forscher an der Montanuni Leoben beschäftigen sich auch mit der effizienten Gewinnung von Wasserstoff aus Methan.

Fotocredit: MUL

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