Methanisierung nach Schweizer Art

In ihrem Mobilitätsdemonstrator "move" erkunden Wissenschaftler der Schweizer Materialforschungsanstalt Empa drei technologische Pfade zur CO2-Reduktion im Straßenverkehr. Das jüngste Projekt dreht sich um die Herstellung von synthetischem Methan aus Wasserstoff und CO2 – die sogenannte Methanisierung. 

Der grundlegende chemische Prozess der Methanisierung ist seit über 100 Jahren als Sabatier-Reaktion bekannt. Im Move soll stattdessen aber 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.

Die Methanisierung funktioniert so: Aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) werden 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. Aufgrund der hohen Temperaturen bei dem Prozess wird außerdem ein Teil des entstandenen Wassers wieder in Wasserstoff zurückgewandelt, was eine direkte Einspeisung des künstlichen Methans ins Gasnetz verhindert.

Die sorptionsverstärkte Methanisierung verläuft dagegen einstufig und kommt ohne dedizierte Schritte zur Wasserstoffabtrennung aus. Die Idee dahinter: Das Reaktionswasser wird während des Methanisierungsprozesses auf einem porösen Katalysatorträger adsorbiert. Dieser kontinuierliche Wasserentzug verschiebt 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 Fahrzeugen genutzt werden", erklärt Christian Bach, Leiter der Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme.

Kohlendioxid und Wasser aus der Umgebungsluft

Ein weiterer Vorteil der neuen Verfahrenskette: Das CO2 für die Methanisierung wie auch das Wasser für die Herstellung des Wasserstoffs werden mit einem CO2-Kollektor des ETH-Spin-offs Climeworks direkt vor Ort der Atmosphäre entnommen. Die Anlage saugt Umgebungsluft an, die CO2-Moleküle bleiben dabei am Filtermaterial hängen und werden später durch mäßige Hitze – rund 100 °C – wieder vom Filter abgelöst. Neben dem CO2 entzieht die Climeworks-Anlage der Luft auch Wasser, das über eine Kondensatleitung für die Wasserstoffherstellung in der Elektrolyseanlage verwendet wird.

Beim Wärmebedarf für diese CO2-Abscheidung 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 neuen Erkenntnissen über die technischen und energetischen Aspekte sind 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 Fuhrparkbetreiber bis hin zu Industriepartnern im Technologie- und Anlagenbereich", sagt Brigitte Buchmann, Direktionsmitglied der Empa und strategische Leiterin von Move.