Der Sabatier-Prozess oder die Sabatier-Reaktion, benannt nach dem französischen Chemiker Paul Sabatier und von diesem 1902 mit Jean Baptiste Senderens erfunden,[1][2][3] beschreibt eine chemische Reaktion, bei der Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt werden.
Die Reaktion wird durch folgende Reaktionsgleichungen[4] beschrieben:
Die Reaktion verläuft stark exotherm: Pro Volumen-% CO2 beträgt die Temperaturerhöhung 60 K (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 Wasserstoff-Elektrolyse technisch relevant, da sich so Methan und Sauerstoff erzeugen lassen (siehe Power-to-Gas).
Die Reaktionsgleichung lautet dann
Die Bildung von Methan aus Kohlendioxid-Kohlenmonoxid-Wasser-Gemischen mittels elektrischer Entladung entdeckte 1872 Brodie. Die katalytische Umwandlung fanden 1902 Sabatier und Senderens, die auch viele andere katalytische Hydrierungen entwickelten (Sabatier erhielt dafür den Nobelpreis). Erste Patente erhielten H. S. Ellworthy und H. W. Williamson 1904/05 (in England und Deutschland) und die ersten Versuche der technischen Umsetzung unternahm man in England 1909 bis 1911 bei der Stadtgas-Reinigung (Cedford-Prozess, der damals aber nicht zu industrieller Reife gelangte).
Zurzeit wird auf der Internationalen 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, 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 zurzeit die Anwendung der Sabatier-Reaktion, um das Wasser in dem ausgeatmeten „Wasserdampf“ zurückzugewinnen. 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 verlorengehen 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:
Die Bosch-Reaktion, welche über den direkten Weg
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.
Der Sabatier-Prozess mit nachgeschalteter Elektrolyse des Wassers (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
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 einer 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. Dies ist dadurch möglich, dass nur noch das leichte Element Wasserstoff zum Mars transportiert werden muss, die vergleichsweise schweren Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff jedoch vor Ort (in situ) gewonnen werden.
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 (CH4) vor Ort gespeichert oder in Erdgasleitungen eingespeist und in großen Erdgasspeichern zwischengelagert werden kann. Beim Verbrennen in der z. Z. (2011) modernsten Gasturbine SGT5-8000H, ist der Wirkungsgrad 60,3 % und somit der Verlust in diesem Prozessabschnitt 39,7 %.[5]
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 des Projekts ist, die Grundlagen 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 zu schaffen, 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.[6][7][8][9]