Grünes Methanol aus der Wüste: Wie Jülicher Forscher das Wasserproblem lösen
Grünes Methanol braucht Wasser, doch das fehlt an vielen möglichen Standorten. Eine Studie des Forschungszentrum Jülich zeigt : In 97 % von mehr als 20.000 Regionen mit Wasserstress kann die Luft selbst genug Feuchtigkeit liefern.
Grünes Methanol aus dem Demonstrationsprojekt Leuna 100 von C1 Green Chemicals. Eine Jülicher Studie zeigt nun, wie sich der Kraftstoff künftig auch in wasserarmen Regionen herstellen ließe, mit CO₂ und Wasser direkt aus der Luft.
Foto: picture alliance/dpa | Hendrik Schmidt
Billiger Ökostrom, aber kein Tropfen Wasser: Ausgerechnet den Regionen, die sich am besten für die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe wie e-Methanol eignen, mangelt es oft am entscheidenden Rohstoff. Denn grünes Methanol braucht neben erneuerbarem Strom und CO₂ vor allem Wasser, aus dem der nötige Wasserstoff entsteht. Wie knapp es wird, hat der Sommer vor Augen geführt, als Hitzewellen und Dürre die Grundwasserstände auch in Europa sinken ließen.
„Sonnen- und windreiche Regionen bieten beste Voraussetzungen für die Herstellung grüner Kraftstoffe, leiden aber häufig unter Wasserknappheit“, bestätigt Henrik Wenzel von der Jülicher Systemanalyse. Er ist Erstautor einer Studie, die jetzt im Fachjournal Nature Communications erschienen ist – und einen ungewöhnlichen Ausweg vorrechnet: Das Wasser kommt aus der Luft. Geliefert wird es von denselben Anlagen, die das CO₂ für das Methanol aus der Luft filtern.
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Wofür braucht man grünes Methanol?
Methanol ist ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie, etwa für Kunststoffe, Lacke und Klebstoffe. Bisher wird es meist aus Erdgas oder Kohle hergestellt. Klimafreundliche Varianten gibt es aber mehrere, etwa aus Biomasse.
Die Jülicher Studie untersucht sogenanntes e-Methanol, das aus erneuerbarem Strom, Wasser und Luft-CO₂ entsteht. Vor allem die Schifffahrt hat e-Methanol als mögliche Kraftstoffalternative identifiziert. Reedereien wie Maersk bestellen bereits Containerschiffe mit Methanolantrieb. Ein Grund: Der Kraftstoff ist flüssig und lässt sich mit der bestehenden Hafen- und Tankinfrastruktur lagern und transportieren.
Auch jenseits der Schifffahrt wächst das Interesse. Das Joint Venture von Renault und Geely hat zuletzt etwa einen Range Extender vorgestellt, der E-Autos mit reinem Methanol nachlädt. Und im Forschungsprojekt DeCarTrans verarbeitete die TU Bergakademie Freiberg bereits 86 t e-Methanol aus der dänischen Anlage Kassø zu synthetischem Benzin.
Wie die Methanolsynthese abläuft
Der von den Jülicher Forschenden untersuchte Synthesepfad besteht aus zwei Schritten:
1. SOEC-Co-Elektrolyse
- H₂O → H₂ + ½ O₂
- CO₂ → CO + ½ O₂
2. Methanolsynthese aus Synthesegas
- CO + 2 H₂ → CH₃OH
Um das für Schritt 1 notwendige CO₂ aus der Luft zu holen, nutzen die Wissenschaftler sogenannte Direct-Air-Capture-Anlagen (DAC) mit Filtermaterialien auf Aminbasis. Diese haben eine Eigenschaft, die bisher als Problem galt: Sie binden nicht nur CO₂, sondern nehmen auch Luftfeuchtigkeit auf. Das kostet zusätzliche Energie, wenn die Filter erhitzt werden, um das gebundene CO₂ wieder freizusetzen.
Aus Nach- wird Vorteil
Das im Forschungsprojekt DryHy entwickelte Konzept macht sich diese Eigenschaft zunutze. Das aus der Luft abgeschiedene Wasser wird dabei nicht wie sonst verworfen, sondern als zweiter Rohstoff genutzt. Die DAC-Anlage liefert so beide Ausgangsstoffe für das Syntesegas, CO₂ und Prozesswasser. Ein Rückgriff auf Grundwasser oder Meerwasserentsalzungsanlagen wäre so laut der Studie verzichtbar.
Die Prozesskette, die das Forschungszentrum Jülich konzipiert hat, sieht so aus:
- Ventilatoren saugen Umgebungsluft durch die Aminfilter, die CO₂ und Wasserdampf binden.
- Beim Aufheizen geben die Filter beides wieder ab.
- CO₂ und Wasserdampf gelangen in eine Hochtemperaturelektrolyse (Festoxid-Elektrolysezellen, SOEC)
- Die SOEC spaltet bei Temperaturen um 800 °C beide Moleküle gleichzeitig. Aus Wasser wird Wasserstoff, aus CO₂ Kohlenmonoxid. Das Gemisch aus beiden (Synthesegas) ist der Ausgangsstoff der Methanolsynthese.
- In einem Reaktor verbindet sich das Synthesegas unter Druck und mit Katalysator zu flüssigem Methanol.
Genug Wasser in der Luft, fast überall?
Die Jülicher Forschenden haben diesen Prozess inklusive erneuerbarer Stromerzeugung, Energiespeichern, Wärmenutzung und einer Kühlung, die ohne zusätzliches Wasser auskommt, durchgerechnet. Ihre Analyse umfasst mehr als 20.000 Regionen in 78 Ländern, die im Jahr 2050 voraussichtlich mindestens mittelhohem Wasserstress ausgesetzt sein werden.
Das Ergebnis: In rund 97 % dieser Regionen enthält die Luft übers Jahr genug Feuchtigkeit, um den Wasserbedarf der Produktion vollständig zu decken. Selbst an sehr trockenen Standorten wäre die Herstellung grundsätzlich möglich, sofern die Anlage primär in feuchteren Stunden arbeitet und Wasser zwischenspeichert.
Die Luftfeuchtigkeit am Standort ist dabei sogar weniger entscheidend als die Verfügbarkeit grünen Stroms. „Für günstige Produktionskosten ist eine ergiebige und möglichst gleichmäßige Versorgung mit erneuerbarem Strom meist wichtiger“, so Jann Weinand, Leiter der Abteilung Integrierte Szenarien der Jülicher Systemanalyse. Besonders vorteilhaft seien Standorte, an denen sich Wind- und Solarenergie gut ergänzen.
Wäre das wettbewerbsfähig?
An solchen Standorten liegen die für 2050 projizierten Produktionskosten bei rund 540 € pro Tonne, in der Hälfte der untersuchten Regionen unter etwa 980 €, an ungünstigen Standorten bei über 2000 €. Die günstigsten Regionen finden sich laut Studie in den USA, Argentinien, Chile, Mauretanien und Marokko. Zum Vergleich: Der aktuelle europäische Vertragspreis für Methanol liegt bei knapp 1000 € pro Tonne. Die Marktpreise schwanken allerdings stark, während die Studie künftige Produktionskosten modelliert. Sinkende Technologiekosten und steigende CO₂-Preise könnten den Abstand verkleinern.
Die Standortlogik der Studie ist dieselbe, die heute schon Importprojekte begünstigt. Deutsche Unternehmen wollen e-Methanol etwa aus Uruguay beziehen, wo Wind- und Solarstrom für unter 20 US-$ pro MWh zu haben ist. Beim CO₂ weichen die dortigen Produzenten bislang allerdings auf biogene Quellen wie die Bioethanolproduktion aus, weil die direkte Luftabscheidung mit 100 bis 1000 US-$ pro Tonne CO₂ als zu teuer gilt. Die Jülicher Studie zeigt nun, unter welchen Bedingungen sich der DAC-Pfad langfristig trotzdem rechnen kann. Das mit-abgeschiedene Prozesswasser wäre dann womöglich der Bonus, der in trockenen Regionen den Ausschlag geben kann.
Wie realistisch und wie umweltfreundlich?
Die Studie ist zunächst eine techno-ökonomische Modellrechnung. Regionale Unterschiede bei Finanzierung, Arbeitskosten und Infrastruktur sowie mögliche Materialengpässe kann sie nicht vollständig berücksichtigen. Auch die angenommene flexible Fahrweise der Hochtemperaturelektrolyse, die sich nach dem schwankenden Stromangebot richtet, muss sich im industriellen Dauerbetrieb erst bewähren. Eine fertige Blaupause habe man noch nicht, betont Erstautor Wenzel.
Einen ersten Realitätstest bereitet das DryHy-Konsortium bereits vor: In Jülich entsteht ein Demonstrator, der die komplette Kette von der Luftabscheidung bis zum Methanolreaktor koppelt. Später soll die Anlage in einer Wüstenregion laufen. Diskutiert wird Namibia, wo das Projekt mit dem Forschungsverbund SASSCAL in Windhoek kooperiert.
Offen ist zudem, was passiert, wenn große Anlagen einer Region dauerhaft Wasserdampf entziehen. „Dass wir keine lokalen Süßwasservorräte beanspruchen, bedeutet nicht automatisch, dass die Entnahme aus der Atmosphäre in jeder Größenordnung folgenlos bleibt“, so Thomas Schöb, Leiter des Teams Energiesystemtransformation. „Vor dem Bau sehr großer Anlagen sollte diese Frage standortspezifisch untersucht werden.“ Im DryHy-Projekt soll deshalb auch erforscht werden, wie sich die Wasserentnahme auf Luftfeuchtigkeit, Wolken und Niederschlag auswirken kann.
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