Die sorptionsverstärkte Methanisierung ist eine an der Empa entwickelte Technologie, die den “Power-to-Gas”-Prozess flexibler und robuster macht. Das erzeugte synthetische Methan kann als erneuerbarer Energieträger fossiles Erdgas ersetzen. Zusammen mit der Methan-Pyrolyse lässt sich daraus zudem CO₂-negativer Wasserstoff herstellen.

Die neue Methanisierungsanlage «move-MEGA» der Empa produziert Methan aus erneuerbarem Wasserstoff und CO₂. Dabei steigert die Anlage gezielt die Lastflexibilität des Verfahrens. Dies ist ein Vorteil für die Nutzung schwankender erneuerbarer Stromquellen. Die Demonstrationsanlage zeigt, wie Solarstrom in direkter Kopplung mit der Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt werden kann. Anschliessend wird es mit CO₂ aus der Umgebungsluft zu synthetischem Methan verarbeitet, um es ins Gasnetz einzuspeisen. Die direkte Kopplung dieser Prozesse an einem Standort ist in dieser Form einzigartig.

Sorptionsverstärkte Mechanisierung

Den Kern der neuen Anlage bildet die sorptionsverstärkte Methanisierung. Bei der Reaktion fungieren Zeolith-Pellets mit definierter Porengrösse als Katalysatorträger. Diese adsorbieren das dabei als Nebenprodukt entstehende Wasser, wodurch das chemische Gleichgewicht zugunsten der Methanentstehung verschoben wird. Dadurch kann der Prozess bei niedrigeren Drücken und Temperaturen betrieben werden. Das gebildete Methan kann ohne aufwendige Nachreinigung direkt genutzt oder ins Gasnetz eingespeist werden.


Wärmemanagement

Zentral bei der Entwicklung des neuen Verfahrens war das Wärmemanagement: Für einen kontinuierlichen Betrieb sind mindestens zwei Reaktoren erforderlich. Diese erzeugen abwechselnd Methan und werden regeneriert beziehungsweise getrocknet. Für eine solche Trocknung ist dann das Wärmemanagement entscheidend. Die Abwärme aus der Methanisierung wird entweder gezielt aus dem Reaktor abgeführt oder im Katalysatorbett gespeichert. Das Empa-Team um Florian Kiefer und Andreas Borgschulte hat über fünf Jahre daran gearbeitet, diese Technologie aus der Grundlagenforschung über den Labormassstab bis zu einem funktionsfähigen Demonstrator zu entwickeln.



„Dank der sorptionsverstärkten Methanisierung und dem Wärmemanagement erreichen wir hohe Umsätze und eine deutlich höhere Lastflexibilität als mit konventionellen Verfahren. Das macht die Technologie besonders attraktiv für die direkte Kopplung mit Photovoltaik- oder Windkraftanlagen”, erläutert move-MEGA-Projektleiter Florian Kiefer.

Vom synthetischen Methan zur CO₂-Senke

Die in den “Power-to-Gas”-Demonstrator integrierte “Direct-Air-Capture”-Anlage macht es zudem möglich, das für die Methanisierungsreaktion erforderliche CO₂ direkt der Umgebungsluft zu entnehmen. Dadurch schafft der “Power-to-Gas”-Prozess die Voraussetzung für negative CO₂-Emissionen. Das erzeugte Methan kann in einem nachgelagerten Schritt mittels Methan-Pyrolyse in festen Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespalten werden. Dies zeigen aktuelle Forschungsprojekte an der Empa.

Der feste Kohlenstoff dient als CO₂-Senke und kann in Baustoffen wie Beton oder Asphalt zum Einsatz kommen. Der gewonnene Wasserstoff eignet sich als Energieträger etwa für industrielle Hochtemperaturanwendungen. Solche Anwendungen sind bislang auf fossile Energieträger angewiesen und lassen sich nur schwer elektrifizieren. Ein entsprechendes Demonstratorprojekt läuft zurzeit in Zusammenarbeit mit dem Verein zur Dekarbonisierung der Industrie (VzDI) in Zug (Schweiz).



Fazit

„Die Methanisierung in Verbindung mit der Methan-Pyrolyse eröffnet einen Weg, mit dem die Versorgung mit erneuerbarer Energie und die dauerhafte Entfernung von CO₂ aus der Atmosphäre kombiniert werden kann. Damit werden negative CO₂-Emissionen möglich”, erklärt Christian Bach, Initiant des move-MEGA-Projekts und Leiter der Abteilung Chemische Energieträger und Fahrzeugsysteme an der Empa.

Der Projektbericht ist über diesen Link zu finden.

Über «move-MEGA»
Das Projekt «move-MEGA» widmet sich der Herstellung von synthetischem Methan aus nachhaltigem Wasserstoff und CO₂ aus der Umgebungsluft. Mit der Einweihung der Demonstrationsanlage hat das Team einen wichtigen Meilenstein erreicht. Im Zentrum steht eine von der Empa entwickelte sorptionsverstärkten Methanisierungstechnologie, die erstmals in einer Demonstrationsanlage, im Mobilitätsdemonstrator «move» eingesetzt wird. Neben der sorptionsverstärkten Methanisierung liegt ein besonderer Fokus auf der effizienten Nutzung der im Prozess anfallenden Abwärme, die in bestehende Systemkomponenten integriert wird. Das Projekt wird massgeblich vom ETH-Rat, dem Kanton Zürich, Glattwerk, Avenergy Suisse, Migros, Lidl Schweiz, Armasuisse und Swisspower unterstützt.

Über Empa
Die Empa Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ist ein schweizerisches, interdisziplinäre Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für anwendungsorientierte Materialwissenschaften und Technologie. Sie verfügt über drei Standorte in Dübendorf, St. Gallen und Thun (alle Schweiz). Der ETH-Bereich wiederum ist ein Verbund von technischen und naturwissenschaftlichen Hochschulen und Forschungsanstalten in der Schweiz.

Quelle: Empa Schweiz | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH