WISSENSCHAFT · 28. SEPTEMBER 2026

Plasmareaktor mit violetter Plasmaentladung im Labor, KI-generiert

Im Plasmareaktor spalten Elektronen CO₂ und Stickstoff

Chemiker sehen im Plasmareaktor einen direkten Weg vom Ökostrom zum Grundstoff. Industriell produziert bis Herbst 2026 vor allem Monolith in den USA, viele andere Projekte stecken im Pilot oder sind gescheitert.

VON MARTIN JENDRISCHIK · 11 Min. Lesezeit LESEN

Von 1903 bis 1928 wuchs die Leistung der Lichtbogenanlagen nach dem Birkeland-Eyde-Verfahren von gut zwei Kilowatt auf knapp 240 Megawatt. Der elektrische Bogen brach den Stickstoff der Luft auf, aus den Stickoxiden entstand Salpeterdünger für die Felder. Dann verdrängte das Haber-Bosch-Verfahren die Methode. Es brauchte je Mol Stickstoff nur rund ein Fünftel der Energie und lief mit billiger Kohle, zeigt eine Analyse der Universitäten Twente und Antwerpen.

Heute greifen Forscher und Cleantech-Unternehmen die Idee wieder auf, weil Wind- und Solarstrom in vielen Stunden die günstigste Energie liefern. Im Plasmareaktor treibt der Strom die Reaktion direkt an, meist bei Umgebungsdruck. Die Reaktoren lassen sich sofort an- und abschalten und folgen damit dem schwankenden Angebot aus Wind und Sonne. Nach meist weniger als einer halben Stunde läuft die Umwandlung stabil. Seltene Erden brauchen die Anlagen nicht, halten Ramses Snoeckx und Annemie Bogaerts von der Universität Antwerpen in einer Übersicht von 2017 fest.

Warum das Gas im Plasma kühl bleibt

Ein Plasma entsteht, wenn ein elektrisches Feld freie Elektronen in einem Gas so stark beschleunigt, dass sie weitere Elektronen aus den Molekülen schlagen. Die Elektronen nehmen die Energie zuerst auf, weil sie viel leichter sind als die Moleküle. Im nicht-thermischen Plasma erreichen sie einige Elektronenvolt, das entspricht mehreren 10.000 Kelvin. Das Gas selbst bleibt nahe Raumtemperatur oder erreicht höchstens einige 1.000 Kelvin, beschreiben Bogaerts und Erik Neyts in ihrem Überblick von 2018.

Mit dieser Energie brechen die Elektronen die Bindungen von CO₂, Stickstoff oder Methan auf. Der Strom landet so in der Chemie und heizt das Gas kaum auf. Im thermischen Plasma sind dagegen alle Teilchen gleich heiß, für die Umwandlung von Gasen arbeitet es meist weniger effizient.

Für die Gaschemie nutzen Forscher vor allem drei Bauformen. Die dielektrische Barriereentladung, kurz DBD, zündet zwischen Elektroden, von denen mindestens eine hinter Glas oder Keramik liegt. Werner von Siemens untersuchte sie 1857 erstmals, um Ozon herzustellen, und Ozongeneratoren nach diesem Prinzip arbeiten heute im Industriemaßstab. Die DBD läuft bei Atmosphärendruck und ist einfach gebaut, wandelt Gase aber mit geringer Energieeffizienz um.

Gleitbogen und Mikrowellenplasma gelten als warme Plasmen: Das Gas erreicht 1.000 Kelvin und mehr, die Umwandlung gelingt effizienter. Das Mikrowellenplasma kommt ohne Elektroden aus, an ihm verschleißt also kein Metall. Im Plasmabrenner dagegen sind alle Teilchen gleich heiß. Mit diesem thermischen Plasma vergasen Industrieanlagen Abfall oder zerlegen Methan.

Was ein Katalysator im Plasma bewirken soll

Ein Plasma ist reaktiv, aber wahllos. Die Elektronen zerschlagen Moleküle, und aus den Bruchstücken bildet sich ein Gemisch vieler Produkte. Bei der Plasmakatalyse füllen Forscher den Reaktor deshalb mit Katalysatorkörnern, die die Bruchstücke zu einem gewünschten Stoff lenken sollen.

Ein Team um Xin Tu an der Universität Liverpool leitete 2018 CO₂ und Wasserstoff durch eine DBD mit Kupfer auf Aluminiumoxid. Bei rund 30 Grad Celsius und Normaldruck setzte der Reaktor 21,2 Prozent des CO₂ um, gut die Hälfte davon zu Methanol. Ohne Plasma reagierte unter diesen Bedingungen nichts. Methanol ist einer der Grundstoffe, mit denen Chemiekonzerne und Reedereien vom Erdöl wegkommen wollen (mehr dazu: Methanol und die dritte industrielle Revolution).

Wiederholbar sind solche Ergebnisse nicht immer. Forscher der Universitäten Twente und Antwerpen halten in einer Übersicht von 2025 fest: In manchen Versuchen verstärken sich Plasma und Katalysator, in anderen nicht. Spitzenwerte einzelner Labore ließen sich andernorts teils nicht reproduzieren. Oft überdecken physikalische Effekte der Füllkörper die eigentliche chemische Wirkung.

In Deutschland arbeitet das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie in Greifswald an Plasmakatalyse und an Synthesegas aus CO₂ und Wasserstoff. In Bochum erforschen Physiker und Chemiker seit 2018 im Sonderforschungsbereich 1316, wie sich Plasma mit Katalyse und Elektrolyse koppeln lässt. Sprecher ist der Physiker Achim von Keudell. In Eindhoven entwickelt das niederländische Institut DIFFER Plasmaverfahren für solare Brennstoffe.

Wie viel Strom ein Plasmareaktor je Produkt braucht

Die meisten Messwerte gibt es für die Spaltung von CO₂ in Kohlenmonoxid und Sauerstoff, den ersten Schritt zu synthetischen Kraftstoffen (mehr dazu: E-Fuels). Der Umsatz gibt an, welcher Anteil des Gases im Reaktor reagiert. Die Energieeffizienz misst, wie viel vom Strom als chemische Energie im Produkt ankommt.

Eine DBD setzt laut Bogaerts und Neyts bis zu 30 Prozent des CO₂ um, erreicht aber nur fünf bis zehn Prozent Effizienz. Gleitbögen kommen auf 30 bis 40 Prozent Effizienz, spalten aber meist höchstens ein Zehntel des Gases. Mikrowellenplasmen erreichten bei Unterdruck 40 bis 50 Prozent, neuere Bestwerte liegen bei 50 bis 60 Prozent. Sowjetische Forscher meldeten in den 1980er-Jahren bis zu 90 Prozent, bei Unterdruck und Überschallströmung; bis 2018 hat das niemand reproduziert.

Setzt ein Reaktor mehr Gas um, sinkt meist die Effizienz, und umgekehrt. Für die Kosten wiegt der Umsatz schwerer: Eine Wirtschaftlichkeitsstudie, die Bogaerts und Neyts auswerten, nennt die Trennung der Produkte als größten Kostenblock. Wer nur jedes zehnte CO₂-Molekül spaltet, muss das Kohlenmonoxid aus einem Gasstrom holen, der fast nur aus unverbrauchtem CO₂ besteht.

Beim Stickstoff liegt der Vergleichswert niedrig: Haber-Bosch braucht 0,48 Megajoule je Mol Ammoniak. Plasmaversuche zur Ammoniaksynthese lagen bis 2018 zwischen mehreren Hundert und rund einem Megajoule, eine Pilotanlage gab es nach Kenntnis von Bogaerts und Neyts nicht. Für Stickoxide, den Rohstoff für Nitratdünger, erreichten Seán Kelly und Bogaerts 2021 in einem Mikrowellenplasma rund zwei Megajoule je Mol. Das liegt nur knapp unter den 2,4 bis 3,1 Megajoule, die das Birkeland-Eyde-Verfahren je Mol Stickstoff brauchte.

Der faire Vergleich ist nicht das fossile Haber-Bosch, sondern eine Kette aus Wasserstoff per Elektrolyse, Haber-Bosch und Ostwald-Verfahren zur Salpetersäure. Kelly und Bogaerts setzen dafür rund 0,7 Megajoule je Mol an, das theoretische Minimum im warmen Plasma liegt bei etwa 0,5. Um mitzuhalten, müssten Forscher den Energiebedarf also knapp dritteln. Gelingt das, ließe sich Dünger dezentral aus Luft und Strom herstellen (mehr dazu: Düngemittel ohne Erdgas).

Am weitesten ist die Plasmatechnik bei der Methanpyrolyse, der Zerlegung von Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff (mehr dazu: Methanpyrolyse bei Molten Industries). Eine Übersicht in Energy & Environmental Science stuft Plasmaverfahren 2025 als reifste Variante ein, mit Reifegrad acht von neun. Theoretisch braucht die Pyrolyse 5,2 Kilowattstunden je Kilogramm Wasserstoff, die Wasserelektrolyse 39,4, rechnet Hans Jürgen Wernicke vor. Monolith kommt in Olive Creek laut einer Übersicht in EES Catalysis auf rund 25 Kilowattstunden, knapp das Fünffache des Minimums.

Wer Plasmareaktoren betreibt und wer aufgegeben hat

Monolith zerlegt in Olive Creek, Nebraska, seit 2020 Erdgas mit Plasmabrennern in Wasserstoff und Industrieruß, einen Füllstoff für Reifen. In einer zweiten Ausbaustufe wollte das Cleantech-Unternehmen aus dem Wasserstoff Ammoniak herstellen. Das US-Energieministerium sagte dafür im Dezember 2021 eine Kreditgarantie zu und führt sie im September 2026 weiter als bedingte Zusage.

Im Juli 2026 stellte Monolith statt der Ammoniakanlage ein Rechenzentrum mit 35 Megawatt vor, gemeinsam mit dem KI-Rechenzentrumsbetreiber Crusoe. Dazu kommen vier weitere Anlagen für Industrieruß. „Deutlich niedriger als die Ammoniakanlage, die wir geplant hatten“, sagte Anna Wishart von Monolith bei einer Bürgerversammlung in Hallam über das neue Projekt. Für Ammoniak waren Tanks von gut 40 Metern Höhe vorgesehen.

Nitricity wollte Stickstoffdünger mit kaltem Plasma aus Luft gewinnen, nach dem Vorbild des Blitzes. Das Cleantech-Unternehmen gab den Ansatz auf, weil die Rechnung nicht aufging, und stellt Flüssigdünger inzwischen aus verbrannten Mandelschalen, Luft, Wasser und Ökostrom her. Air Products stieg 2016 aus seinen Plasmavergasungsanlagen für Abfall im englischen Tees Valley aus. Design- und Betriebsprobleme zu beheben, würde viel Zeit und Geld kosten, erklärte der Industriegaskonzern und schrieb 900 Millionen bis eine Milliarde US-Dollar ab.

Caphenia und refuel.green haben ihre Zeitpläne verschoben. Caphenia bekam im August 2024 seinen Reaktor von MAN Energy Solutions. Die Produktion von Synthesegas für Kerosin in Frankfurt-Höchst kündigte Caphenia für das erste Halbjahr 2025 an, im Dezember 2025 dann für Anfang 2026. Eine Meldung über den Produktionsstart gibt es bis Ende September 2026 nicht (mehr dazu: Caphenia und das synthetische Kerosin).

Das Dresdner Cleantech-Unternehmen refuel.green testete Plasmakatalyse in einem Container an der Raffinerie in Schwedt (mehr dazu: refuel.green in Schwedt). 2026 setzt refuel.green auf Mikrowellenplasma und stuft die Technik selbst auf Reifegrad vier von neun ein. Die erste Vorserie mit einem Megawatt plant es für 2032, mit Zwischenstufen von zehn und 100 Kilowatt.

Akteur	Verfahren	Angekündigt	Stand September 2026	Reifegrad
Monolith (USA)	Plasmabrenner, Methanpyrolyse	Ammoniak aus Plasma-Wasserstoff	Ruß und Wasserstoff aus Olive Creek seit 2020; Ammoniak zurückgestellt, Rechenzentrum geplant	industriell (Ruß)
Graforce (Berlin)	Methan-Plasmalyse	Günstiger Wasserstoff aus Methan	Demoanlage bei RAG Austria in Kremsmünster seit September 2023; Kapital für den Weg zum Dauerbetrieb im Februar 2026	Demonstration
Caphenia (Frankfurt)	Plasmareaktor, Synthesegas für Kerosin	Produktion im ersten Halbjahr 2025, dann Anfang 2026	Pilotanlage laut Projektseite im Bau	Pilot im Bau
refuel.green	Mikrowellenplasma, Synthesegas	Serienproduktion ab Ende 2025 (Stand 2024)	Neuer Fahrplan: 10-kW-Prototyp 2027, 100 kW 2029, 1 MW 2032	Labor
enaDyne (Leipzig)	Nicht-thermische Plasmakatalyse	Erste Pilotanlage bis Mitte 2026	Keine öffentliche Meldung zur Inbetriebnahme	Pilot angekündigt
Onvector (USA)	Plasma, PFAS-Abbau	Abbau von PFAS-Konzentraten	Zweiter Demonstrationsauftrag des US-Verteidigungsministeriums im November 2025	Demonstration
PlasmaLeap (Australien)	Plasma-Stickstofffixierung	Erste Düngerstandorte in New South Wales und Tasmanien	Finanzierung im März 2026, kein Zeitplan	Feldversuche
Nitricity (USA)	Kaltes Plasma, Dünger	Dünger aus Luft und Strom	Plasma aufgegeben, Mandelschalen als Rohstoff	eingestellt
Plagazi (Schweden)	Plasmavergasung von Abfall	Wasserstoff aus Abfall in Köping, Hylte und Gävle	Keine Anlage gebaut; Konkursantrag im Dezember 2025, Verwalter verkauft Patente 2026	gescheitert
SGH2 (USA)	Plasmavergasung von Abfall	Wasserstoffanlage in Lancaster, Betrieb ab 2023	Genehmigung im Februar 2023, kein Beleg für Bau	angekündigt
Air Products (USA)	Plasmavergasung, Tees Valley	Strom aus Abfall	2016 aufgegeben, Abschreibung bis eine Mrd. US-Dollar	gescheitert

Stand: 25. September 2026, nach Angaben der Unternehmen, Behörden und Fachmedien.

Woran sich die nächste Plasma-Ankündigung messen lässt

Wer eine Plasma-Ankündigung prüfen will, fragt zuerst nach dem Strombedarf je Kilogramm Produkt, gerechnet über den ganzen Prozess samt Netzteil und Kühlung. Danach zählt der Umsatz pro Durchgang. Er bestimmt die dritte Größe: wie aufwendig sich das Produkt vom Restgas trennen lässt.

Der vierte Prüfpunkt ist die Standzeit der Elektroden, die im Lichtbogen abbrennen. Öffentlich belastbare Zahlen dazu fehlen bis 2026 weitgehend, Mikrowellenreaktoren umgehen das Problem. Als Fünftes zählen Betriebsstunden einer Anlage außerhalb des Labors, mit Ort und Datum. Monolith meldete schon 2021 mehr als 3.700 Stunden im Demonstrationsmaßstab.

Beim Abbau von PFAS zählt, was am Ende übrig bleibt (mehr dazu: Ewigkeitschemikalien PFAS). In einem Labortest für die Umweltbehörde von Minnesota senkte Onvector mit seinem Plasmaverfahren einzelne PFAS um 99 Prozent und mehr. Das gesamte organisch gebundene Fluor fiel aber nur von 4,86 auf 1,50 Milliarden Nanogramm je Liter, kurzkettige Verbindungen wie PFBA nahmen sogar zu. Der Test verbrauchte 3.442 Kilowattstunden je Kubikmeter Wasser.

Die Behörde legte sich in ihrer Machbarkeitsstudie vom März 2026 auf keine der sieben geprüften Zerstörungstechniken fest. Die Wahl hängt nach ihrer Begründung davon ab, wie das Wasser vorher aufkonzentriert wird, welches PFAS-Gemisch vor Ort vorliegt und wie Pilotversuche ausfallen.

Für die Elektrifizierung der Chemie zeichnet sich damit eine Nische für den Plasmareaktor ab. Sie liegt bei kleinen Anlagen, die Strom abnehmen, wenn er billig ist, und Produkte liefern, die sich leicht abtrennen lassen. Fester Kohlenstoff fällt bei der Methanpyrolyse von selbst aus dem Gas. Stickoxide für Dünger lassen sich mit Wasser auswaschen. Kerosin aus CO₂ verlangt dagegen hohen Umsatz und eine saubere Trennung, dort ist der Weg am längsten.

Wer die nächste Meldung über einen Plasmareaktor liest, erfährt das Wichtigste aus zwei Angaben. Die eine sind die Betriebsstunden der Anlage beim Kunden, die andere der Strom, den sie je Kilogramm Produkt verbraucht. Fehlen beide, lässt sich von außen nicht belegen, dass ein Projekt den Versuchsmaßstab verlassen hat.

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