Neues Reaktorkonzept für Methanisierung

Hightech: Die Erkenntnisse aus dem neuen Reaktorkonzept dienen als Basis für den Bau von Grossanlagen: Florian Kiefer, Projektverantwortlicher für die sorptionsverstärkte Methanisierung, neben der Versuchsanlage. Bildquelle: Empa

Robuster Reaktor für reines Methan.

Synthetische Energieträger sind kreislaufgerecht bezüglich CO2 und können erneuerbare Energie transportierbar und langfristig speicherbar machen. Künstlich hergestelltes Methan ist einer davon. Das Problem: Dessen Herstellung ist mit relativ hohen Energieverlusten verbunden; zudem machen bisherige Verfahren eine Aufreinigung des Methans erforderlich. Um das zu ändern, haben Empa-Forschende ein neues, optimiertes Reaktorkonzept für die Methanisierung entwickelt.

Die Energiewende verlangt nach Energieträgern, die klimaschonend sind; das heisst, dass sie bei Herstellung und Gebrauch möglichst geringe – im Idealfall gar keine – CO2-Emissionen verursachen. Dafür bieten sich unter anderem synthetische Energieträger an – also solche, 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.

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Sorptionsverstärkte Methanisierung: Befüllung, chemische Reaktion und Trocknung und Regeneration.
Grafik: Empa

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 so genannte Methanisierung – hat allerdings ihre Tücken. Denn das in einem katalytischen Verfahren erzeugte Gas enthält bislang auch noch Wasserstoff, was eine direkte Einspeisung ins Gasnetz verunmöglicht. Die Empa-Forscher 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 Empa-Forschenden eine einfachere Prozessführung und eine bessere Eignung für den dynamischen Betrieb, also z.B. für die Kopplung mit unstetig verfügbaren erneuerbaren Energien. Das Projekt wird durch den Kanton Zürich, Avenergy Suisse, Migros, Lidl Schweiz, Armasuisse, Swisspower sowie den ETH-Rat unterstützt.

Direkte Einspeisung in Gasnetz

Das wasserstofffreie Methan wird im «move» mit der sogenannten 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 – in reiner Form. Damit entfällt die Aufreinigung des (bisherigen) 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, Projektverantwortlicher für die sorptionsverstärkte Methanisierung im «move».

Vom Labor zur Industrieanlage

Florian Kiefer und sein Team 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 das «Upscaling» des Verfahrens – das heisst, ein Konzept, wie dieses Verfahren für Grossanlagen umgesetzt werden kann. Dazu hat die Empa mit verschiedenen Industriepartnern zusammengearbeitet. Entscheidend für die Reaktorauslegung und Prozessplanung ist dabei vor allem die Regenerationszeit, also die für die Trocknung des Reaktors benötigte Zeit. Um eine kontinuierliche Methanproduktion zu gewährleisten, müssen deshalb mindestens zwei Reaktoren abwechselnd arbeiten. Für die Trocknung der Reaktoren ist zudem ein geeignetes Wärmemanagement zentral, 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 flexibilisieren das Energiesystem

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 50% der Primärenergie verloren. Diese Verluste können in Zukunft voraussichtlich auf 40 bis 45% 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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Florian Kiefer
Automotive Powertrain Technologies
Tel: +41 58 765 4172
florian.kiefer@empa.ch

Christian Bach
Automotive Powertrain Technologies
Tel: +41 58 765 4137
christian.bach@empa.ch

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/methan Empa Homepage
https://www.empa.ch/web/s604/empaquarterly-78 Neue Ausgae EmpaQuarterly

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