Plasma cracking of methane and biogas for sustainable hydrogen carbon black or syngas production

Abstract

The presentation “Plasma Cracking of Methane and Biogas for Sustainable Hydrogen, Carbon Black or Syngas Production” introduces two research projects at the Competence Center for Renewable Energies and Energy Efficiency (CC4E), Hamburg University of Applied Sciences that explore microwave plasma-based decarbonization technologies for sustainable fuel production.

The first project, MEDEA (Methane Decarbonization Using Microwave Low-Temperature Plasma Cracking), investigates the CO₂-free production of hydrogen (H₂) and carbon black (C) from methane (CH₄). The process requires only one-seventh of the energy of conventional electrolysis while avoiding water consumption and direct carbon dioxide emissions. Experimental results demonstrate stable operation at 5–20 Nm³/h methane flow and 4–10 kW microwave power, achieving H₂ yields up to 35 mol %.

The follow-up project Plasma2X adapts the plasma cracking process for the generation of syngas (H₂:CO = 0.5–3:1) from methane, biogas, and CO₂. Early tests show syngas yields up to 85 %, adjustable gas composition for Fischer–Tropsch and methanol synthesis, and rapid start-up capability, enabling flexible integration into sector-coupled energy systems.

Overall, the research demonstrates that microwave plasma cracking provides an efficient and scalable pathway toward carbon-neutral hydrogen and synthetic fuels, while valorizing carbon as a co-product rather than emitting it as CO₂.

Die Präsentation „Plasmakracken von Methan und Biogas zur nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff, Kohlenstoff oder Synthesegas“ stellt zwei Forschungsprojekte des Kompetenzzentrums für Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (CC4E) der Hochschule Hamburg vor, die sich mit mikrowellenbasierten Plasma-Entkarbonisierungstechnologien für die nachhaltige Kraftstofferzeugung befassen.

Das erste Projekt, MEDEA (Methane Decarbonization Using Microwave Low-Temperature Plasma Cracking), untersucht die CO₂-freie Produktion von Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoff (C) aus Methan (CH₄). Der Prozess benötigt nur ein Siebtel der Energie herkömmlicher Elektrolyse und vermeidet gleichzeitig Wasserverbrauch und direkte Kohlendioxidemissionen. Experimentelle Ergebnisse zeigen einen stabilen Betrieb bei einem Methangasdurchsatz von 5–20 Nm³/h und einer Mikrowellenleistung von 4–10 kW, wobei H₂-Ausbeuten von bis zu 35 mol % erzielt werden.

Das Folgeprojekt Plasma2X adaptiert das Plasma-Cracking-Verfahren für die Erzeugung von Synthesegas (H₂:CO = 0,5–3:1) aus Methan, Biogas und CO₂. Frühe Tests zeigen Synthesegasausbeuten von bis zu 85 %, eine einstellbare Gaszusammensetzung für die Fischer-Tropsch- und Methanolsynthese sowie eine schnelle Startfähigkeit, was eine flexible Integration in sektorverbundene Energiesysteme ermöglicht.

Insgesamt zeigt die Forschung, dass die Mikrowellen-Plasmakrackung einen effizienten und skalierbaren Weg zu klimaneutralem Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen bietet und gleichzeitig Kohlenstoff als Nebenprodukt verwertet, anstatt ihn als CO₂ zu emittieren.