Durchbruch: Reines Methan aus erneuerbaren Energien hergestellt

Zahlreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen nach wie vor daran, wie sich unterschiedliche Energieträger möglichst einfach, kostengünstig und nachhaltig synthetisch herstellen lassen. Methan ist einer davon. Christian Bach, Leiter der Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme, gehört zu dieser Gruppe von Forschenden: „Synthetisches Gas bietet ein enormes Potential, wenn es aus atmosphärischem CO₂ und erneuerbar erzeugtem Wasserstoff hergestellt wird“, sagt er.

Allerdings sei für die Produktion von Wasserstoff nicht nur viel Strom aus erneuerbaren Quellen nötig, sondern auch viel Wasser. „In unserem Mobilitätsdemonstrator ‚move‘ wollen wir deshalb neben dem CO₂ auch das Wasser für die Wasserstoffherstellung mit Hilfe eines CO₂-Kollektors des ETH-Spinoffs ‚Climeworks‘ direkt vor Ort aus der Atmosphäre gewinnen.“ Der Vorteil: Ein solches Verfahren ließe sich dann auch in Zukunft in Wüstenregionen umsetzen, in denen es keine ausreichenden Wasservorräte gibt.

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Reines Methan mit erneuerbaren Energien hergestellt

Bei der Herstellung synthetischen Methans aus Wasserstoff und CO₂ gibt es allerdings noch Schwierigkeiten: Zusätzlich zum Methan entsteht bei dem Prozess auch Wasserstoff. Dadurch kann das synthetische Methan nicht einfach in das Gasnetz eingespeist werden, sondern muss erst aufwendig abgetrennt werden. Um das zu ändern, hat ein Forscher-Team der Empa ein neues Reaktorkonzept entwickelt. Darin findet nach wie vor eine Katalyse statt, aber die Bildung von Wasserstoff wird unterbunden. Ziel der Forschenden: eine einfachere Prozessführung und damit ein Verfahren, dass sich besser für den dynamischen Betrieb eignet, zum Beispiel für die Verbindung mit erneuerbaren Energien, die nicht ständig und durchgehend zur Verfügung stehen.

Damit eine Herstellung ohne Wasserstoff gelingt, nutzen die Forschenden die sogenannte sorptionsverstärkende Methanisierung. Dabei wird das Wasser, das während der Methanisierung entsteht, auf einem porösen Katalysatorträger gebunden. So entsteht Methan in seiner reinen Form. Zugleich ist dadurch kein aufwendiger Reinigungsschritt mehr notwendig; das Methan kann direkt genutzt werden. Das mit Wasser gefüllte Katalysatorträgermaterial muss nach Abschluss der Reaktion wieder getrocknet werden, bevor es für den nächsten Zyklus erneut zur Verfügung steht. Das funktioniert mittels Druckabsenkung.

Als Katalysatorträger setzen die Forschenden Zeolith-Pellets ein. Diese sind entsprechend porös, um das Wasser während der Methanisierungsreaktion aufnehmen zu können. Die Forschergruppe sieht dabei zwei Vorteile: „Dieser Prozess ist flexibler und stabiler als bisherige Verfahren, hat aber auch ein gewisses Potential für Energieeinsparungen, da wir bei tieferem Reaktordruck fahren und auch eine Wasserstoffabtrennung und Rückführung verzichten können“, sagt Florian Kiefer, Projektverantwortlicher. Konkrete Ergebnisse ergäben sich aber erst nach Fertigstellung eines Demonstrators.

Neues Reaktorkonzept zur Methan-Produktion auch für Großanlagen geeignet

Während des Forschungsprozesses legten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ebenfalls ein Augenmerk darauf, wie sich ihr Konzept auch auf große Anlagen übertragen lässt. Dafür waren verschiedene Partner aus der Industrie zuständig. Erste Ergebnisse zeigen, dass es bei der Reaktorauslegung und Prozessplanung vor allem auf die Regenerationszeit ankommt, also die Zeit, die man für das Trocknen des Reaktors benötigt. Soll also kontinuierlich Methan produziert werden, müssten Firmen Reaktoren parallel betreiben. Ein reaktor produziert; der andere ist noch in der Regenerationsphase.

Darüber hinaus sei ein spezielles Wärmemanagement entscheidend, um die Reaktoren entsprechend zu trocknen, berichten die Forschenden. Das könne entweder durch die Ableitung der Wärme aus dem Reaktor oder durch die interne Wärmespeicherung im Katalysatorbett realisiert werden. Das Forscherteam der Empa hat in diesem Bereich bereits ein Patent angemeldet.

Methan als synthetischer Energieträger flexibilisiert das Energiesystem

Synthetische Energieträger wie Methan, das aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Hier entsteht nur so viel CO₂ wie zuvor für die Herstellung aus der Atmosphäre entzogen wurde. Methan ist darüber hinaus auch als synthetischer Kraftstoff geeignet, etwa für herkömmliche Benzin-, Diesel- oder Gasfahrzeuge. Allerdings entstehen bei der Herstellung relativ hohe Umwandlungsverluste von rund 50% der Primärenergie. Forschende sind sich sicher, in Zukunft diesen Anteil auf 40 bis 45% verringern zu können.

Synthetische Kraftstoffe sind vor allem dort sinnvoll, wo es nicht so einfach möglich ist, den Verkehr zu elektrifizieren, etwa beim Langstrecken- und Lastverkehr, aber auch bei Frachtschiffen und Flugzeugen. Solche Energieträger lassen sich über weite Strecken transportieren und können über längere Zeiträume ohne Verluste gespeichert werden.

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