Sabatier-Prozess

Der Sabatier-Prozess oder die Sabatier-Reaktion, benannt nach dem französischen Chemiker Paul Sabatier, beschreibt eine chemische Reaktion bei der Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt wird.

Reaktion

Die Reaktion wird durch folgende Reaktionsgleichungen ^[1]. beschrieben:

$ \mathrm {CO+3\;H_{2}\rightarrow CH_{4}+H_{2}O} \qquad \Delta H^{0}=-206{,}2\,\mathrm {kJ/mol} $.

$ \mathrm {CO_{2}+4\;H_{2}\rightarrow CH_{4}+2\;H_{2}O} \qquad \Delta H^{0}=-165{,}0\,\mathrm {kJ/mol} $.

Die Reaktion verläuft stark exotherm: Pro Volumen-% CO₂ beträgt die Temperaturerhöhung 60K (erster Fall).

Bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck läuft die Reaktion unter Verwendung eines Nickel-Katalysators ab, effektiver ist die Verwendung von Ruthenium auf einem Aluminiumoxid-Substrat. Oft ist auch ein Sabatier-Prozess in Verbindung mit einer vorgeschalteten Wasserstoff-Elektrolyse technisch relevant, da sich so Methan und Sauerstoff erzeugen lassen (siehe EE-Gas).

Die Reaktionsgleichung lautet dann

$ \mathrm {CO_{2}+4\;H_{2}\rightarrow CH_{4}+2\;H_{2}O\rightarrow CH_{4}+O_{2}+2\;H_{2}} $.

Lebenserhaltende Systeme von Raumfahrzeugen und Raumstationen

Zurzeit wird auf der Internationale Raumstation Sauerstoff aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen. Hierbei wird der überschüssige Wasserstoff ins All entlassen. Bei dem Verbrauch des Sauerstoffes durch die Astronauten wird Kohlenstoffdioxid frei, welches chemisch gebunden wird und so dem Prozess entnommen wird. Diese Lösung setzt voraus, dass regelmäßig relativ große Mengen an Wasser zur ISS transportiert werden, welche dann zur Sauerstoffgewinnung, aber auch für den Verzehr, Hygiene und Weiteres verwendet werden. Bei der Planung zukünftiger, längerer Missionen und zur Verringerung des Wasserbedarfs werden Alternativen zu dem bisherigen Konzept untersucht.

Beispielsweise erforscht die NASA zur Zeit die Anwendung der Sabatier-Reaktion, um das Wasser in dem ausgeatmeten "Wasserdampf" zurück zu gewinnen. Ferner soll das CO₂ mit 2 H₂ (H₂ aus der Elektrolyse, die von Solarstrom gespeist wird) zu Wasser reagieren, wobei, ungewollt, Methan (CH₄) entsteht, Dieses zusätzliche Produkt würde vermutlich ins All entlassen. Da die Hälfte des benötigten Wasserstoffes in Form von Methan verloren gehen würde, müsste Wasserstoff in regelmäßigen Abständen nachgeliefert werden. Dennoch würde so der Kreislauf deutlich besser geschlossen, und entsprechend wenig Wasserstoff im Vergleich zum bisherigen Prozess, der das deutlich schwerere Wasser verwendet, benötigt.

Die Reaktionsgleichungen des Prozesses stellen sich wie folgt dar:

$ \mathrm {2\;H_{2}O\rightarrow O_{2}+2\;H_{2}\rightarrow (Atmung)\rightarrow CO_{2}+2\;H_{2}+2\;H_{2}(hinzugef{\ddot {u}}gt)\rightarrow 2\;H_{2}O+CH_{4}(entnommen)} $

Die Bosch-Reaktion, welche über den direkten Weg

$ \mathrm {CO_{2}+2\;H_{2}\rightarrow C+2\;H_{2}O} ,\qquad \Delta H^{0}=-178{,}3\,\mathrm {kJ/mol} $

Wasser erzeugt, wird auch für die beschriebene Anwendung untersucht. Die Abscheidung von festem Kohlenstoff auf dem Katalysator bereitet zurzeit jedoch noch Probleme, da durch diese die effektive Fläche des Katalysators herabgesetzt wird.

Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars

Der Sabatier-Prozess mit nachgeschalteter Elektrolyse des Wasser (s.o.) wurde als entscheidender Faktor zu Kostenreduzierung bei (bemannten) Mars-Missionen identifiziert. Hierbei wird durch Nutzung der vor Ort vorhandenen Ressourcen (In-Situ Resource Utilization) Raketentreibstoff in Form von Methan und Sauerstoff produziert und eingelagert. Verbraucht werden der von der Erde mitgebrachte Wasserstoff sowie Kohlenstoffdioxid, welches den Hauptbestandteil der Marsatmosphäre bildet. Die stöchiometrische Mischung der Treibstoffkomponenten liegt bei 3,5:1 (Massenanteile) Sauerstoff zu Methan, wobei durch den einfachen Sabatier-Prozess lediglich ein Wert von 2:1 erreicht wird. Um die Sauerstoffausbeute zu erhöhen, bietet es sich an, zusätzlich die Wassergas-Shift-Reaktion in umgekehrter Reihenfolge ablaufen zu lassen, wobei sich folgende Reaktionsgleichung ergibt

$ \mathrm {3\;CO_{2}+6\;H_{2}\rightarrow CH_{4}+2\;CO+4\;H_{2}O} $.

Die Reaktion ist leicht exotherm, und durch Elektrolyse des Wassers ließe sich ein Mischungsverhältnis von 4:1 (leichter Sauerstoffüberschuss) erreichen. Alternativ ließe sich das bei der Sabatier-Reaktion erzeugte Methan teilweise pyrolysieren (siehe vorheriger Abschnitt). Der entstehende Wasserstoff könnte erneut im Sabatier-Reaktor verwendet werden, um das gewünschte Produktmengen-Verhältnis zu erreichen.

Zur praktischen Durchführung ist es geplant, in einer vorgelagerten, unbemannten Mission einen Reaktor zum Mars zu transportieren, der Methan und Sauerstoff als Treibstoff herstellt. Dieser kann von den nachfolgenden, bemannten Mission für Expeditionen auf dem Mars und für den Rückflug genutzt werden. Entscheidend ist, dass durch Anwendung der beschrieben Technologien eine Gewichtsreduzierung von 18:1 erzielt werden kann. Dieses ist dadurch möglich, dass nur noch das leichte Element Wasserstoff zum Mars transportiert werden muss, die vergleichsweise schwereren Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff jedoch vor Ort (in situ) gewonnen werden.

Umwandlung von Strom

Ein neuer Ansatz ist die Umwandlung von Strom zu synthetischem Erdgas. Dabei wird mit überschüssigem Strom zunächst Wasserstoff durch Elektrolyse mit einem Wirkungsgrad von 57 bis 73 Prozent erzeugt. Mit dem Sabatier-Prozess wird anschließend Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan umgewandelt, wobei das Methan vor Ort gespeichert oder in Erdgasleitungen eingespeist und in großen Erdgasspeichern zwischengelagert werden kann. Die Energieverluste liegen bei etwa 66 bis 56 Prozent^[2].

Eine vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart und dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel entwickelte und unter Beteiligung der SolarFuel GmbH errichtete Demonstrationsanlage mit einer elektrischen Anschlussleistung von 25 Kilowatt war seit 2009 am ZSW in Betrieb. CO₂-Quelle war hierbei die Umgebungsluft. Die in einem Container transportabel aufgebaute Anlage wurde Anfang 2011 für längere Zeit auch am CO₂-Abluftstrom der Biogasaufbereitung einer Biogasanlasanlage der EWE AG in Werlte sowie am Rohbiogasstrom einer Biogasanlage der Energielandschaft Morbach betrieben. Der Nachweis der Erzeugung eines DVGW-konformen Erdgassubstitutes wurde in allen Fällen erbracht.

Im Rahmen des anschließenden, vom 1. April 2011 bis 31. März 2014 laufenden, vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit geförderten Verbundprojektes Power-to-Gas wurde im Oktober 2012 in Stuttgart vom ZSW unter Beteiligung von IWES und SolarFuel eine 250-kW-Forschungsanlage in Betrieb genommen. In ihr soll insbesondere die Anlagentechnik zur schnellen dynamischen Regelung erprobt werden, die für den sinnvollen Einsatz einer solchen Anlage zur Kompensation der Stromerzeugungsschwankungen der Photovoltaik und Windenergie erforderlich ist. Mit dieser Anlage ist gleichzeitig die Vorstufe zur industriellen Nutzung erreicht. Bei Anlagengrößen zwischen ein und 20 Megawatt wird ein wirtschaftlicher Betrieb erwartet. Ziel das Projekts ist, die Grundlagen zu schaffen für die Inbetriebnahme einer ersten von Audi zur Erzeugung von Gas für Kraftfahrzeuge genutzten 6-Megawatt-Pilotanlage am Standort der Biogasanlage Werlte des Projektpartners EWE, deren Errichtung durch SolarFuel bereits begonnen hat. Das Gas wird über das öffentliche Erdgasnetz zu den Gastankstellen geführt werden, für den Strom aus erneuerbarer Energie investiert Audi zusätzlich in vier Windkraftanlagen im Offshore-Windpark Riffgat.^[3][4][5][6]

Weblinks

• NASA Seite zum Thema
• NASA Seite zur Sauerstoffproduktion
• Entwicklung eines verbesserten Sabatier-Reaktors
• Verbesserung der Sabatier-Reaktion für In Situ Anwendungen auf Mars-Missionen (PDF-Datei; 1,09 MB)
• Energielandschaft Morbach

Quellen