Neues Reaktorkonzept für Methanisierung

Synthetische Energieträger machen erneuerbare Energie transportierbar und langfristig speicherbar – Methan ist einer davon. Nun haben Forschende an der Empa ein neues Reaktorkonzept für die Methanisierung entwickelt, das den Energieverlust bei der Herstellung reduziert.

Eine ganze Flotte von LKW mit CNG-Antrieb und Biogas im Tank setzt der deutsche Bio-Treibstoff-Pionier Verbio schon ein. Quelle: Verbio

Nachhaltige Mobilität bedeutet, dass man fossile Treibstoffe durch erneuerbare Energie ersetzt. Das ist unter anderem durch Biogas möglich. Denn Biogas aus Reststoffen ist erneuerbar und CO₂-neutral, da die gleiche Menge an CO₂ entstehen würde, wenn die Biomasse einfach ungenutzt verrottet. Daher hilft Biogas genauso wie andere nachhaltige Energieträger und auch synthetisches Methan, den CO₂-Ausstoss massiv zu senken.

Daher macht die direkte Nutzung von erneuerbarer Elektrizität in Elektrofahrzeugen genauso Sinn wie die Verwendung von erneuerbarer Energie für die Herstellung von CO₂-armen Treibstoffen wie Wasserstoff oder Methan. Diese E-Fuels können zudem in der Bestandsflotte eingesetzt oder auch als nachhaltige Treibstoffe für den Langstrecken- und Schwerverkehr genutzt werden. Die Empa testet in Dübendorf ZH zusammen mit Partnern aus Forschung, Wirtschaft und öffentlicher Hand, wie die Mobilität der Zukunft ohne fossile Energie funktionieren könnte.

Christian Bach, Leiter der Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme, erläutert die Funktionsweise des Mobilitätsdemonstrators «move». Quelle: Empa

«Synthetisches Gas bietet ein enormes Potential, wenn es aus atmosphärischem CO₂ und erneuerbar erzeugtem Wasserstoff hergestellt wird», erklärt der Leiter der Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme, Christian Bach. «Für die Wasserstofferzeugung benötigt man neben erneuerbarer Elektrizität aber auch viel Wasser. In unserem Mobilitätsdemonstrator wollen wir deshalb neben dem CO₂ auch das Wasser für die Wasserstoffherstellung mit Hilfe eines CO₂-Kollektors des ETH-Spin-offs Climeworks direkt vor Ort aus der Atmosphäre gewinnen.»

Ein Problem bei der Herstellung des synthetischen Methans, das im sogenannten Mobilitätsdemonstrator «move» schon von Personenwagen und LKW getankt werden kann, ist der relativ hohe Energieverlust bei der Umwandlung; zudem machen bisherige Verfahren eine Aufreinigung des Methans erforderlich. Nun haben die Empa-Forschenden ein neues, optimiertes Reaktorkonzept für die Methanisierung – also die Herstellung von synthetischem Methan aus Wasserstoff und CO₂ – entwickelt, das den Energieverlust massiv verringert. Die Erkenntnisse aus dem neuen Reaktorkonzept dienen ausserdem als Basis für den Bau von neuen Grossanlagen.

Quelle: Empa

Das in einem katalytischen Verfahren erzeugte Gas enthält bislang auch noch Wasserstoff, was eine direkte Einspeisung ins Gasnetz verunmöglicht. Die Empa-Forschenden Florian Kiefer, Marin Nikolic, Andreas Borgschulte und Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler haben nun ein neues Konzept entwickelt, bei dem die Bildung von Wasserstoff auf der Produktseite unterbunden wird. Damit ergibt sich eine einfachere Prozessführung und eine bessere Eignung für den dynamischen Betrieb, also beispielsweise für die Kopplung mit unstetig verfügbaren erneuerbaren Energien. Das wasserstofffreie Methan für den «move» wird mit der sogenannten sorptionsverstärkten Methanisierung hergestellt. Die Idee dahinter: Das bei der Reaktion entstehende Wasser wird während des Methanisierungsprozesses durch einen porösen Katalysatorträger laufend absorbiert. Dieser kontinuierliche Wasserentzug führt dazu, dass als Produkt lediglich Methan anfällt – in reiner Form. Somit kann die Reinigung des Produktegemisches entfallen, die bislang nötig war, bevor das synthetische Gas ins Netz eingespeist wird.

Empa-Forscher Florian Kiefer, Projektverantwortlicher für die sorptionsverstärkte Methanisierung, kontrolliert die Versuchsanlage. Quelle Empa

Clever: Das Katalysatorträgermaterial wird nach Ende des Reaktionsgeschehens mittels Druckabsenkung getrocknet – und steht so für den nächsten Reaktionszyklus wieder bereit. «Dieser Prozess ist flexibler und stabiler als bisherige Verfahren», erläutert Florian Kiefer, Projektverantwortlicher für die sorptionsverstärkte Methanisierung. «Der Prozess hat auch ein gewisses Potential für Energieeinsparungen, da wir einen tieferen Reaktordruck fahren und auf eine Wasserstoffabtrennung und Rückführung verzichten können. Eine genaue Beurteilung der Energieeffizienz wird jedoch erst nach Fertigstellung des Demonstrators möglich sein.»

Florian Kiefer und sein Team haben während rund drei Jahren am neuen Reaktorkonzept geforscht. Da der Fokus auch auf einem Upscaling des Verfahrens, also seiner späteren Nutzung in Grossanlagen lag, war vor allem die Regenerationszeit für die Trocknung des Reaktors sehr wichtig. Die Lösung: Für eine kontinuierliche Methanproduktion arbeiten mindestens zwei Reaktoren abwechselnd. Durch das neue Verfahren können Synfuels künftig mit geringerem Energieverlust hergestellt werden. Ein wichtiger Schritt, um diesen immer wieder angeprangerten Kritikpunkt bei den synthetischen Treibstoffen zu eliminieren. (pd/jas, 26. Januar 2023)

Die Forschenden von der Empa zeigen mit ihrer Arbeit, dass synthetische Energieträger nicht nur kreislaufgerecht bezüglich CO₂ sind, sondern erneuerbare Energie auch transportierbar und langfristig speicherbar machen können. Quelle: Empa