Wenn Ökostrom zu Erdgas wird
Bei „Power-to-Gas“ ist ein Schlüsselbegriff, wenn es darum geht, alternative Energien zu speichern. Dabei handelt es sich um kurzfristig überschüssigen Strom aus Photovoltaik- und Windanlagen, der in Wasserstoff umgewandelt wird. Kombiniert man diesen mit dem Klimagas CO2, lässt sich daraus Methan herstellen, welches im Erdgasnetz gespeichert und verteilt werden kann. Forschern der Empa ist es gelungen, diesen Prozess weiter zu optimieren.
Der Prozess der Methanisierung nutzt CO2, beispielsweise aus der Biogasproduktion: Zusammen mit Wasserstoff (H2) aus überschüssigem Ökostrom entsteht Methan, das im Erdgasnetz einfach kostengünstig verteilt und über längere Zeit gespeichert werden kann. Damit wird aus erneuerbaren Energien ein „quasi-fossiler“ Brennstoff erzeugt.
Bekannt ist diese sogenannte Sabatier-Reaktion, welche aus Wasserstoff und CO2 brennbares Methan erzeugt, zwar schon lange. Aber nun ist es Forschern der Empa von der Abteilung „Wasserstoff und Energie“ gelungen, den Prozess deutlich zu optimieren. Um die Reaktion von CO2 und Wasserstoff mit möglichst geringem Energieverbrauch in Gang zu bringen, ist ein Katalysator nötig, beispielsweise aus Nickel. Auf einer solchen Katalysatoroberfläche reagieren die Gasmoleküle leichter miteinander – der Energieaufwand für die Reaktion verringert sich, man spricht von einer so genannten Sorptionskatalyse. Empa-Forscher Andreas Borgschulte und sein Team haben nun einen nanoskaligen Nickel-Katalysator mit einem Zeolith kombiniert. Zeolithe sind kristalline Alumosilikate mit der Fähigkeit, Wassermoleküle aufnehmen zu können und bei Erhitzung wieder abzugeben.
Das Prinzip ist einfach: Bei der chemischen Reaktion von Wasserstoff und CO2 entsteht nicht nur Methan (CH4), sondern auch Wasser (H2O). Die Forscher nutzen die hygroskopische oder vielmehr Wasser bindende Eigenschaft des Zeolith, um das entstehende Wasser aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen. Das chemische Gleichgewicht verschiebt sich dadurch in Richtung Methan. Ergebnis: Eine höhere Ausbeute an reinem Methan und somit eine höhere Effizienz des Katalyseprozesses. Sobald der Zeolith mit Wasser gesättigt ist, kann er durch Erhitzen und Verdunsten des Wassers wieder „entladen“ und erneut verwendet werden.
Überschüssiger Ökostrom kein Wegwerfprodukt
Der Prozess funktioniert – allerdings erst im Labor. Es sei noch ein weiter Weg bis zur kommerziellen Nutzung in Grossanlagen, so Borgschulte. Zurzeit sind die Empa-Forscher auf der Suche nach Projektpartnern, um eine Methanisierungsanlage in grösserem Massstab zu bauen und als Pilotprojekt zu nutzen. Parallel dazu will Borgschultes Team den Prozess noch weiter optimieren. In einem nächsten Schritt sollen vier oder mehr Sorptionskatalysatoren gleichzeitig zum Einsatz kommen. Ist einer mit Wasser gesättigt, springt die Anlage automatisch auf den nächsten, „trockenen“ Katalysator um, während der vorherige bereits wieder „entladen“ wird.
Ein Problem für diese zyklische Methode stellt bis jetzt der Schwefel dar, der zusammen mit Methan und CO2 in Biogasanlagen anfällt. Schwefelverbindungen können den Zeolith irreparabel schädigen. Die Forscher arbeiten nun daran, den Schwefel aus dem Rohbiogas zu entfernen und so den Zeolith möglichst lange funktionstüchtig zu halten.
Für die Zukunft sind laut Borgschulte aber auch neue, effizientere Katalysatormaterialien als Nickel in Kombination mit Zeolith denkbar. Sie könnten den Sabatier-Prozess noch weiter verbessern. Damit wäre überschüssiger Ökostrom keine Wegwerfprodukt mehr, sondern Basis für nachhaltig erzeugtes Erdgas. (mai/mgt)
