Empa-Forscher haben ein optimiertes Methanisierungsverfahren entwickelt: die sogenannte sorptionsverstärkte Methanisierung. Sie verläuft einstufig und kommt ohne Wasserstoffabtrennung im Produktgas aus.
Bis 2030 wird der Detailhändler Lidl Schweiz für den Betrieb seiner Lastwagen von fossilem Erdgas auf verflüssigtes erneuerbares Gas umsteigen.
Lidl Schweiz
Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) untersuchen im Mobilitätsdemonstrator "Move" die Herstellung von synthetischem Methan aus energetischer, technischer und wirtschaftlicher Perspektive. Im Demonstrator soll ein an der Empa weiterentwickeltes Verfahren zum Einsatz kommen: die sogenannte sorptionsverstärkte Methanisierung. Von diesem neuartigen verfahrenstechnischen Konzept versprechen sich die Empa-Forschenden eine einfachere Prozessführung, einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Eignung für den dynamischen Betrieb.
Sorptionsverstärkte Methanisierung
Die Methanisierung funktioniert üblicherweise folgendermaßen: Aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) wird mittels katalytischer Umwandlung Methan (CH4) und Wasser (H2O) erzeugt. "Letzteres ist bei herkömmlichen Verfahren ein Problem: Um das Wasser abzuscheiden, braucht es typischerweise mehrere Methanisierungsstufen hintereinander – mit Kondensationsbereichen dazwischen", heißt es von den Forschern. Aufgrund der hohen Temperaturen werde dabei außerdem ein Teil des entstandenen Wassers durch die Wassergas-Shift-Reaktion wieder in Wasserstoff zurückgewandelt. Das gasförmige Produkt der Methanisierungsreaktion enthalte deshalb einige Prozent Wasserstoff, was eine direkte Einspeisung ins Gasnetz verhindere; der Wasserstoff müsse zuerst wieder abgetrennt werden.
Die sorptionsverstärkte Methanisierung im "Move" verlaufe den Forschern zufolge dagegen einstufig und soll ohne Wasserstoffabtrennung im Produktgas auskommen. Die Idee dahinter sei folgende: Das Reaktionswasser wird während des Methanisierungsprozesses auf einem porösen Katalysatorträger adsorbiert. Dieser kontinuierliche Wasserentzug verschiebe das Reaktionsgleichgewicht hin zu einer nahezu 100-prozentigen Methanausbeute. "Das gasförmige Produkt kann also ohne zusätzliche Reinigung direkt ins Gasnetz eingespeist und zum Beispiel für das Betanken von Gasfahrzeugen genutzt werden", erklärt Christian Bach, Leiter der Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme.
CO2 und Wasser aus der Umgebungsluft
Das CO2 für die Methanisierung wie auch das Wasser für die Herstellung des Wasserstoffs soll mit einem CO2-Kollektor des ETH-Spin-offs Climeworks direkt vor Ort der Atmosphäre entnommen werden. Die Anlage sauge Umgebungsluft an, die CO2-Moleküle blieben dabei am Filtermaterial hängen. Mittels Hitze – rund 100°C – würden die CO2-Moleküle dann wieder vom Filter abgelöst. Beim Wärmebedarf für diese CO2-Desorption sehen die Empa-Forschenden weiteres Optimierungspotenzial. "Die Wasserstofferzeugung wie auch die Methanisierung generieren kontinuierlich Abwärme", so Bach. "Über ein geschicktes Wärmemanagement wollen wir den Wärmebedarf des CO2-Kollektors zu einem möglichst großen Teil mit dieser Abwärme decken". Neben dem CO2 entziehe die Climeworks-Anlage der Luft auch Wasser, das über eine Kondensatleitung für die Wasserstoffherstellung in der Elektrolyseanlage verwendet wird. Damit seien solche Anlagen auch in Regionen ohne Wasserversorgung denkbar, beispielsweise in Wüsten.
Neben neuen Erkenntnissen über die technischen und energetischen Aspekte sind laut den Forschern auch Aussagen zur Wirtschaftlichkeit von synthetischem Methan ein Ziel des Projekts. "Um diese gesamtheitliche Perspektive sicherzustellen, besteht das Projektkonsortium aus Partnern, die die ganze Wertschöpfungskette abdecken – von Forschenden der Empa über Energieversorger, Tankstellen- und Fuhrparkbetreibern bis hin zu Industriepartnern im Technologie- und Anlagenbereich", sagt Brigitte Buchmann, Direktionsmitglied der Empa und strategische Leiterin von "Move". Das Projekt wird durch den Kanton Zürich, den ETH-Rat, Avenergy Suisse, Migros, Lidl Schweiz, Glattwerk, Armasuisse und Swisspower unterstützt.
Aufbau der Anlage für Mitte 2022 geplant
Derzeit konzentriert sich das Team von Christian Bach auf die Untersuchungen der Wasseradsorption auf porösen Materialien und die Prozessführung der katalytischen Reaktion. Der Aufbau der Anlage sei auf Mitte nächsten Jahres geplant. "Rund ein Jahr später wollen wir das erste Fahrzeug betanken", meint Buchmann. "Mit Methan aus Sonnenenergie."