Technologie

Robuster Reaktor für reines Methan

19.01.2023 - Neues Konzept für Methanisierung nutzt aus der Luft gefiltertes Kohlendioxid und Wasser.

Die Energiewende verlangt nach Energie­trägern, die bei Herstellung und Gebrauch möglichst geringe – im Idealfall gar keine – CO2-Emissionen verursachen. Dafür bieten sich unter anderem synthetische Energieträger an, die durch Umwandlungs­prozesse aus erneuer­barer Energie gewonnen werden. Denn die Nutzung solcher Energie­träger erzeugt nur gerade so viel CO2 wie zuvor für deren Herstellung aus der Atmosphäre entzogen wurde. Künstlich erzeugtes Methan fällt unter diese Kategorie.

„Synthetisches Gas bietet ein enormes Potential, wenn es aus atmosphärischem CO2 und erneuerbar erzeugtem Wasserstoff hergestellt wird“, erklärt Christian Bach, Leiter der Empa-Abteilung Fahrzeug­antriebssysteme. „Für die Wasserstoff­erzeugung benötigt man neben erneuerbarer Elektrizität aber 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-Spin-offs Climeworks direkt vor Ort aus der Atmosphäre gewinnen.“ Solche Konzepte liessen sich dann künftig auch in Wüsten­regionen ohne flüssige Wasser­vorräte umsetzen.

Die Herstellung von synthetischem Methan aus Wasserstoff und CO2 – die Methani­sierung – hat allerdings ihre Tücken. Denn das in einem katalytischen Verfahren erzeugte Gas enthält bislang auch noch Wasserstoff, was eine direkte Einspeisung ins Gasnetz ausschließt. Florian Kiefer, Marin Nikolic, Andreas Borgschulte und Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler haben deshalb ein neues Reaktor­konzept entwickelt, bei dem die Bildung von Wasserstoff auf der Produktseite unterbunden wird. Damit erzielen die Forscher eine einfachere Prozess­führung und eine bessere Eignung für den dynamischen Betrieb, also für die Kopplung mit unstetig verfügbaren erneuerbaren Energien.

Das wasserstoff­freie Methan wird mit der sorptions­verstärkten Methanisierung hergestellt. Die Idee dahinter: Das bei der Reaktion entstehende Wasser wird während des Methanisierungs­prozesses auf einem porösen Katalysatorträger laufend adsorbiert. Dieser kontinuierliche Wasserentzug führt dazu, dass als Produkt lediglich Methan anfällt. Damit entfällt die Aufreinigung des Produktegemisches. Das Katalysator­trägermaterial wird nach Ende des Reaktions­geschehens mittels Druckabsenkung wieder getrocknet – und steht für den nächsten Reaktions­zyklus bereit. „Dieser Prozess ist flexibler und stabiler als bisherige Verfahren, hat aber auch ein gewisses Potential für Energie­einsparungen, da wir bei tieferem Reaktordruck fahren und auf eine Wasserstoff­abtrennung und Rückführung verzichten können. Eine genaue Beurteilung der Energie­effizienz wird jedoch erst nach Fertigstellung des Demonstrators möglich sein“, erläutert Florian Kiefer.

Die Wissenschaftler forschten während rund drei Jahren an einem neuen Reaktorkonzept mit Zeolith-Pellets, die als poröser Katalysator­träger fungieren und gleichzeitig das während der Methanisierungs­reaktion entstehende Wasser adsorbieren. Mit im Fokus stand dabei die Skalierung des Verfahrens. Dazu hat die Empa mit verschiedenen Industriepartnern zusammen­gearbeitet. Entscheidend für die Reaktor­auslegung und Prozess­planung ist dabei vor allem die Regenerations­zeit für die Trocknung des Reaktors. Um eine kontinuierliche Methan­produktion zu gewährleisten, müssen deshalb mindestens zwei Reaktoren abwechselnd arbeiten. Für die Trocknung der Reaktoren ist zudem ein geeignetes Wärme­management wichtig, entweder durch die Ableitung der Wärme aus dem Reaktor oder durch die interne Speicherung von Wärme im Katalysator­bett. In diesem Bereich hat Kiefers Team ein Patent angemeldet.

Synfuels lassen sich in herkömmlichen Benzin-, Diesel- oder Gasfahrzeugen nutzen. Der Nachteil bei der Herstellung von Synfuels sind die hohen Umwandlungs­verluste. Bei der Herstellung von Synfuels aus erneuerbarem Strom geht heute rund fünfzig Prozent der Primär­energie verloren. Diese Verluste können in Zukunft voraus­sichtlich auf 40 bis 45 Prozent gesenkt werden. Ökonomische Betrach­tungen zeigen, dass Synfuels nur dort sinnvoll sind, wo eine direkte Elektrifi­zierung nicht möglich ist – zum Beispiel beim Langstrecken- und Lastverkehr, in Fracht­schiffen und Flugzeugen. Betrachtet man jedoch das gesamte Energiesystem, dann haben Synfuels einen entscheidenden Vorteil: Diese Energieträger lassen sich einfach über weite Strecken trans­portieren, weshalb auch weit entfernte erneuerbare Energie­ressourcen erschlossen werden können. Zudem können sie über längere Zeiträume verlustfrei gespeichert werden. Sie erlauben damit die erforder­liche Flexibi­lisierung des einheimischen, regenerativen Energie­systems.

Empa / JOL

Weitere Infos

Webseminar: Simulation für die Raumfahrt

Dienstag, 21.März 2023, 14:00 Uhr
Im Webseminar lernen Sie mehr über die Rolle von Simulation beim Umsetzen von Weltraumforschungs- und Entwicklungsprojekten.

Zur Registrierung

Webseminar: Simulation für die Raumfahrt

Dienstag, 21.März 2023, 14:00 Uhr
Im Webseminar lernen Sie mehr über die Rolle von Simulation beim Umsetzen von Weltraumforschungs- und Entwicklungsprojekten.

Zur Registrierung