Additive Fertigung als Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion

Im vergangenen Blogbeitrag ist meine Kollegin Wejdane Ezzine auf die Bedeutung der Wasserstoffgewinnung für die Energiewende eingegangen und hat aufgezeigt, welchen Mehrwert der Keramik-3D-Druck bei der Elektrolyse von grünem Wasserstoff bietet.

Falls Sie den Beitrag noch nicht gelesen haben, finden Sie ihn hier: Blogbeitrag: Neue Wege für die Wasserstoffgewinnung – Wejdane Ezzine

Derzeit basieren rund 95 % der weltweiten Wasserstoffproduktion auf der Dampfreformierung von Methan (CH₄). Dabei wird Methan – der Hauptbestandteil von Erdgas – unter Zugabe von Wasserdampf in Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt.

Das Problem:
Bei diesem Verfahren entstehen erhebliche CO₂-Emissionen. Pro erzeugtem Kilogramm Wasserstoff fallen etwa 9 kg CO₂ an. Insgesamt verursacht die globale Wasserstoffproduktion dadurch jährlich rund 830 Millionen Tonnen CO₂.

Methanpyrolyse als nachhaltige Alternative

Als vielversprechende Alternative zur klassischen Dampfreformierung gilt die Methanpyrolyse.

Auch bei diesem Verfahren wird Wasserstoff aus Methan gewonnen. Im Gegensatz zur Dampfreformierung wird jedoch kein Sauerstoff zugeführt. Dadurch entsteht anstelle von CO₂ fester Kohlenstoff in Form von Ruß.

Wird der Prozess zusätzlich mit erneuerbaren Energiequellen oder Biogas betrieben, kann die Methanpyrolyse einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung leisten.

Vorteile der Methanpyrolyse

Im Vergleich zur Dampfreformierung bietet die Technologie mehrere entscheidende Vorteile:

• keine direkten CO₂-Emissionen
• Erzeugung von hochreinem Wasserstoff
• Gewinnung von stabilem Kohlenstoff als industriell nutzbares Nebenprodukt
• Potenzial für eine deutlich bessere Klimabilanz

SUPSI entwickelt 3D-gedruckte Reaktoren aus Graphit

Das Schweizer Forschungsinstitut SUPSI untersucht den Einsatz additiv gefertigter Gyroidstrukturen aus Graphit als Reaktorkomponenten für die Methanpyrolyse. Die Reaktoren dienen dazu, Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff aufzuspalten.

Warum eignet sich Graphit als Werkstoff?

Graphit beziehungsweise synthetischer Kohlenstoff besitzt eine Reihe außergewöhnlicher Materialeigenschaften:

• hohe Wärmeleitfähigkeit
• hohe elektrische Leitfähigkeit
• ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit
• hohe chemische Beständigkeit
• sehr gute mechanische Stabilität

Dadurch eignet sich der Werkstoff ideal für Hochtemperaturprozesse wie die Methanpyrolyse.

Warum eignen sich Gyroidstrukturen für Reaktoren?

Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, die mit konventionellen Fertigungsverfahren kaum realisierbar sind. Dazu zählen sogenannte Gyroidstrukturen. Diese weisen eine schwammartige, kontinuierlich gekrümmte Geometrie auf und bieten ideale Voraussetzungen für den Einsatz in Reaktoren.

Vorteile von Gyroidstrukturen

• extrem hohe Oberfläche pro Volumen
• kontinuierliche gekrümmte Flächen
• keine abrupten Kanten oder Toträume
• optimierte Strömungsverhältnisse
• verbesserte Wärmeübertragung

Dadurch kann der Wirkungsgrad des Reaktors deutlich erhöht werden. Bei gleichem Volumen lassen sich mehr elektrochemische Reaktionen realisieren. Das bedeutet: höhere Wasserstoffausbeute oder kompaktere Anlagen bei gleicher Leistung.

Ergebnisse der Untersuchungen von SUPSI

SUPSI konnte die Graphit-Reaktoren erfolgreich mit dem InnoventX-System von Desktop Metal herstellen und testen.

Die Untersuchungen zeigten, dass die 3D-gedruckten Reaktoren den Wirkungsgrad der Methanpyrolyse verbessern können. Insbesondere konnte der Wärmebedarf bei der Aufspaltung von Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff reduziert werden.

Laut den Forschenden zählt SUPSI zu den ersten Instituten weltweit, die wissenschaftlich zu additiv gefertigten Graphitstrukturen publiziert haben.

Herausforderung: Die Verarbeitung von Graphit

Eine besondere Herausforderung bei der Verarbeitung von Graphit besteht darin, dass der Werkstoff nicht aufgeschmolzen werden kann. Dadurch eignet sich Graphit nicht für laserbasierte 3D-Druckverfahren wie das Laser Powder Bed Fusion. Binder Jetting bietet hier entscheidende Vorteile.

SUPSI entwickelte auf dem offenen InnoventX-System zunächst die geeigneten Druckparameter zur Herstellung eines stabilen Grünkörpers. Anschließend wurden zwei wichtige Nachbearbeitungsschritte durchgeführt, um die finalen Materialeigenschaften zu erzielen.

Schritt 1: Precursor Infiltration

Nach dem Druck besitzen die Graphit-Bauteile noch zahlreiche Poren und Hohlräume. Diese werden durch die sogenannte Precursor Infiltration reduziert. Dabei wird ein kohlenstoffreiches Vorläufermaterial – in diesem Fall ein Furanharz – in die Porenstruktur eingebracht. Das flüssige Harz dringt tief in die offenen Strukturen ein.

Ziele der Infiltration

• Verringerung der Porosität
• Erhöhung der Materialdichte
• Verbesserung der mechanischen Festigkeit
• Optimierung der thermischen und elektrischen Eigenschaften

Schritt 2: Pyrolyse

Im zweiten Schritt wird das infiltrierte Bauteil unter Ausschluss von Sauerstoff stark erhitzt. Dabei zersetzt sich das Furanharz thermisch:

• flüchtige Bestandteile entweichen als Gas
• zurück bleibt fester Kohlenstoff

Dadurch erhält das Bauteil seine finalen Eigenschaften und die notwendige Stabilität für den Einsatz im Reaktor.

Skalierung durch großvolumige Binder-Jetting-Systeme

Die industrielle Skalierung der Fertigung der Reaktoren erfolgt über großvolumige Binder-Jetting-Plattformen, wie das X160 Pro System von Desktop Metal. Dank des großen Bauvolumens können auch komplexe und großformatige Reaktorkomponenten wirtschaftlich gefertigt werden.

Fazit: Binder Jetting eröffnet neue Potenziale für die Wasserstoffproduktion

Die Methanpyrolyse gilt als vielversprechende Technologie für eine klimafreundlichere Wasserstofferzeugung. Besonders in Kombination mit erneuerbaren Energien bietet das Verfahren großes Potenzial, CO₂-Emissionen im Vergleich zur konventionellen Dampfreformierung deutlich zu reduzieren.

Gleichzeitig zeigt das Projekt von SUPSI, welchen Beitrag die additive Fertigung zur Weiterentwicklung solcher Prozesse leisten kann. Durch Binder Jetting lassen sich hochkomplexe Reaktorgeometrien aus Graphit realisieren, die mit klassischen Fertigungsverfahren kaum umsetzbar wären. Die Untersuchungen verdeutlichen zudem, dass Binder Jetting weit über klassische Metallanwendungen hinausgeht. Technische Keramiken und kohlenstoffbasierte Werkstoffe entwickeln sich zunehmend zu einem strategisch relevanten Einsatzfeld der additiven Fertigung – insbesondere für Anwendungen in der Energie-, Prozess- und Umwelttechnik.

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Dann nehmen Sie gerne Kontakt auf – wir beraten Sie persönlich.

Frederik Nussbaumer
Head of Sales
+49 172 4059105
frederik.nussbaumer@am-pioneers.com