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Methanol: Ein Energieträger der Zukunft

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Methanol, auch Methyalkohol genannt, ist eine farblose Flüssigkeit. Es ist leicht entzündlich. Methanoldämpfe können mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch bilden. Die technische Methanolherstellung erfolgt hauptsächlich katalytisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.

Mit Methanol lassen sich zwei Probleme lösen: die CO2-neutrale Produktion und die Speicherung elektrischer Energie. 

Insgesamt lässt sich Methanol aus fast allen organischen Materialien herstellen: Ganz traditionell ist die Gewinnung über Pyrolyse von Holz, sehr modern ist auch die heutige Nutzung von organischen Abfällen

Bei der Herstellung von Methanol kann CO2 als Rohstoff genutzt und der Kraftstoff somit klimaneutral genutzt werden.

Methanol soll nicht verwechselt werden mit Methan!

Methan ist bekanntermaßen ein potentes Treibhausgas: Seine Treibhauswirkung liegt bis zu 30-fach höher als die von Kohlendioxid. Das Gas kommt als natürlicher Bestandteil unserer Umwelt vor, ist der Hauptbestandteil von Erdgas und tritt zum Beispiel aus unterirdischen Quellen am Meeresgrund aus. Doch auch der Mensch trägt vermehrt dazu bei, dass Methan in die Atmosphäre gelangt. So entsteht das Gas etwa in großen Mengen bei der Viehzucht – vor allem durch Blähungen von Kühen und Rindern. Zudem wird es auf Erdölfeldern und in Raffinerien sowie bei der Förderung von Schiefergas frei.


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Bild: EASAC

Methanol aus grünem Wasserstoff

Er ist ein Hoffnungsträger der Energiewende: Grüner Wasserstoff könnte viele Herausforderungen beim Klimaschutz lösen. Doch der Umgang mit ihm ist nicht einfach. Ein Forscherteam des Projekts “Metha-Cycle” hat dafür jetzt ein neues System entwickelt. (BMWI vom 12.9.2019)

Strom aus erneuerbaren Energien in Form von grünem Wasserstoff speichern, bis er benötigt wird: das klingt einfach, ist es aber nicht. Noch fehlt die Infrastruktur, um den Wasserstoff auch als Flüssigkeit ungefährlich in großem Maßstab über einen langen Zeitraum zu speichern, über weite Strecken zu transportieren und zu verteilen.

Im Forschungsprojekt “Metha-Cycle” soll deshalb nun ein weitgehend geschlossener Kreislauf entwickelt werden, in dem das möglich ist. Dazu nutzt das Entwicklerteam ein bereits bewährtes Prinzip: die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methanol mit Hilfe eines Katalysators. Erstmals werden dabei Strom aus Windenergie, Elektrolyse (die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) und die künstliche Herstellung von Methanol direkt miteinander verbunden (Sektorkopplung). Das Besondere: die auch als Methylalkohol bekannte Flüssigkeit muss nicht wie Wasserstoff unter speziellen Bedingungen gelagert werden.

Wasserstoff wird in Methanol gebunden

In Methanol gebunden lässt sich der grüne Wasserstoff also sicher über die bereits existierende Infrastruktur für Benzin oder Diesel transportieren oder über längere Zeiträume speichern. Wird die so gespeicherte Energie wieder benötigt, kann aus dem Methanol in einem zweiten Schritt Wasserstoff gewonnen und direkt wieder in Strom umgewandelt werden. Nach Untersuchungen des Forschungsteams könnte mit der Metha-Cycle-Technologie ähnlich viel Energie nutzbar gemacht werden, wie mit reinem Wasserstoff.

Methanol aus klimafreundlichen Quellen

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“Bei Metha-Cycle kommt der Ausgangsstoff für das Methanol – Kohlenstoffdioxid – aus Abgasen der Industrie oder aus Biogasanlagen.

So wird bei der Methanol-Herstellung kein zusätzliches CO2 freigesetzt. Im Gegenteil, CO2 wird aus diesen Abgasen entnommen und gebunden“, erklärt Marco Haumann von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Normalerweise kommt der Grundstoff aus fossilen Grundstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas.

Der Wasserstoff wird mit Elektrolyseuren (Anlagen, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten) erzeugt. Sie sind elektrisch mit Windenergieanlagen gekoppelt. Zukünftig könnte der grüne Wasserstoff auch aus Bioenergieanlagen kommen. Mit einem speziell für Metha-Cycle entwickelten Niedrigtemperaturkatalysator wird das Methanol wieder in Wasserstoff und CO2 aufgespalten. Ein solcher Katalysator benötigt eine geringere Temperatur und weniger Energie als herkömmliche Modelle. In einem ebenfalls speziell für Metha-Cycle entwickelten Brennstoffzellensystem wird der Wasserstoff schließlich wieder in elektrische Energie umgewandelt. “Das Kohlendioxid dient somit als Transportmedium für den Wasserstoff und kann bei Bedarf auch beliebig oft recycelt werden”, erklärt Henrik Junge, Koordinator des Metha-Cycle-Projekts.

Testlauf ist bisher sehr erfolgreich

Mit dem Testlauf seines Demonstrators ist das Forscherteam mehr als zufrieden. Er ist sehr energieeffizient, denn die Forscher nutzen die Wärmeenergie, die bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom in der Brennstoffzelle entsteht, um Wasserstoff zu erzeugen. Der dafür installierte Katalysator hat einen entscheidenden Vorteil: “Unsere Feststoffkatalysatoren arbeiten sehr selektiv und setzen nur geringe Mengen Kohlenmonoxid frei”, erklärt Marco Haumann. “Dadurch wird die Brennstoffzelle geschont und ihre Lebensdauer verlängert.”

Bevor das Metha-Cycle-System zum Einsatz kommen kann, muss der 500-Stunden dauernde Testlauf noch erfolgreich beendet und ausgewertet werden. Erst dann können die Experten sagen, wo noch Verbesserungen nötig sind. Und sie wollen noch weiteren Aspekten auf den Grund gehen: Unter anderem sind Versuche mit besonders effizienten sogenannten Niedrigtemperaturbrennstoffzellen im Methanol-Kreislauf von Metha-Cycle geplant.

Forscherteam sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für die neue Technologie hat das Forscherteam schon jetzt im Blick: “Als Container-Lösung könnte unser System beispielsweise auf Bauernhöfen oder in kleineren Betrieben eingesetzt werden, die großflächig Photovoltaik- oder Windenergieanlagen auf ihrem Grundstück betreiben”, ist Haumann sicher.

“Wird mehr Strom erzeugt als benötigt, lässt sich diese Energie in Form von Methanol in großen Tanks speichern und kann bei Bedarf wieder in Strom verwandelt werden. Das erhöht den Eigenverbrauch und senkt insgesamt die Stromkosten. Auch die Verteilnetze werden so entlastet.”

Methanol Verwendung

Auf die Verbrennung von Methanol im Motor sind die Motorenhersteller schon eingestellt. Methylalkohol biete die besten Voraussetzungen für eine synthetische, CO2-neutrale Herstellung. Dazu können überschüssige elektrische Energie, das CO2 der Luft und Wasser genutzt werden. Der Kreis schließe sich über die Verbrennung des Methanols im Motor und damit die Rückkehr des Kohlendioxids in die Luft.

Die Stena Germanica ist eines der größten Fährschiffe der Welt, 240 Meter lang, mit einer Kapazität für 300 Autos und 1300 Passagiere. Dies ist jedoch nicht das Bemerkenswerteste an diesem Schiff. Das Einzigartige und völlig Neue bei der Stena Germanica ist etwas, das Sie vermutlich noch gar nicht bemerkt haben – sie wird mit Methanol betrieben. Dieses Fährschiff ist das erste und bisher einzige auf der Welt mit Methanolbetrieb.

Im Einsatz befindliche Ottomotoren könnten weiter verwendet werden. Sie müssten nur geringfügig angepasst werden und würden sogar mit einem etwas besseren Wirkungsgrad laufen. Dieselmotoren müssten auf das Zündstrahlverfahren umgebaut und somit zu Ottomotoren werden.

Chemischer Speicher: Konversion von CO2 und H2 zu Methanol

In Anbetracht des steigenden Anteils von Wind- und Solarstrom wird es notwendig, elektrische Energie auch saisonal und in großem Maßstab zu speichern. Der von Fraunhofer verfolgte Power-to-Liquid-Ansatz zielt darauf, durch die Elektrolyse von Wasser aus nachhaltigen Energiequellen große Mengen Wasserstoff herzustellen, der durch Reaktion mit Kohlendioxid in Methanol umgewandelt wird. Die Flüssigkeit Methanol lässt sich hervorragend speichern und transportieren.

Methanol ist einer der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie. Weltweit werden jährlich etwa 60 Mio. Tonnen (2012) produziert. Ungefähr 85% davon werden als Ausgangsstoff für Synthesen oder als Lösungsmittel eingesetzt. Der Rest kommt im Energiesektor als Kraftstoff bzw. Kraftstoffadditiv zum Einsatz. Fossiles Erdgas ist derzeit die nahezu einzige Kohlenstoffquelle für die Methanolproduktion. Dadurch werden große Mengen Treibhausgase freigesetzt. Diese Emissionen können signifikant verringert werden, wenn Kohlendioxid – idealerweise aus biogenen Prozessen – mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff zu Methanol umgewandelt wird, wie unsere Ökobilanz-Rechnungen ergeben haben.

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Dargestellt ist die gesamte Prozesskette von der Erzeugung erneuerbaren Stroms über die Methanolherstellung bis zu dessen Einsatz in den unterschiedlichen Märkten. Bild: Fraunhofer ISE

Kaskade von Methanol zu Wasserstoff – Metha-Cycle entkoppelt Windkraft vom Strombedarf

Forschende am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock können bei milden Bedingungen von unter hundert Grad Celsius und Umgebungsdruck aus Methanol Wasserstoff erzeugen, und zwar in der für Brennstoffzellen notwendigen Ausbeute und Reinheit. Dafür optimierten sie ein eigenes Verfahren, das sie seinerzeit in NATURE veröffentlicht hatten. Die katalytische Reaktion ist Herzstück des Projektes Metha-Cycle, eines vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Konzeptes zur Speicherung und Nutzung regenerativer Energien. Erstmals wurden dabei Windkraft, Elektrolyse und CO2-basierte Methanolsynthese sowie die Rückverwandlung des Methanols in H2 direkt miteinander verbunden. „Eine solche direkte Kopplung hat es bisher noch nicht gegeben“, sagt Projekt-Koordinator Dr. Henrik Junge, Themenleiter am LIKAT. Das Konzept kann die Energiewende auf dem Lande wesentlich beschleunigen: Es erlaubt Unternehmen und Kommunen sich vom Windkraftaufkommen unabhängig mit „grünem“ Strom zu versorgen. Denn Elektroenergie aus Windkraft fällt bekanntermaßen nicht immer dann an, wenn sie am nötigsten gebraucht wird.


Speicher für Wasserstoff

So funktioniert Metha-Cycle: Windkrafträder (wahlweise Photovoltaik-Anlagen) produzieren Elektroenergie. Mit diesem Strom wird aus Wasser elektrolytisch Wasserstoff erzeugt, der wiederum mit CO2 in Methanol umwandelt wird. Methanol, einfachster Vertreter in der Gruppe der Alkohole, fungiert somit als Speicher für Wasserstoff, wie es Chemiker seit langem vorschlagen. Dr. Junge: „Methanol lässt sich im Unterschied zu Wasserstoff gut handhaben und auch über weite Strecken transportieren.“ Bei Bedarf wird Methanol in H2 rückverwandelt und direkt im Anschluss in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt.

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Brennstoffzelle mit LIKAT-Katalysator

Methan direkt zu Methanol

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Bisher wird überschüssiges Methan von Förderplattformen häufig einfach abgefackelt (Foto: camij/ iStock

Auf der Suche nach einer Möglichkeit, Methangas auf einfachem und direktem Wege in den alternativen Treibstoff Methanol umzuwandeln haben Forscher ein Rezept entdeckt, das diesen Prozess künftig rentabel machen könnte. Sie zeigen: Mit Nanopartikeln aus Gold-Palladium-Verbindungen als Katalysator lässt sich unter Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserstoffperoxid Methan direkt zu Methanol machen. Der Clou: Die Reaktion funktioniert schon bei niedrigen Temperaturen – und ist damit besonders energieeffizient.

Theoretisch könnte das klimaschädliche Gas von vielen Industrien sinnvoll weiterverarbeitet werden. Denn Methan eignet sich als Ausgangsstoff für chemische Prozesse und als Energieträger, etwa zur Herstellung von alternativem Treibstoff. Trotzdem werden weltweit riesige Mengen Methan einfach verbrannt – zum Beispiel auf Ölfeldern. Das Problem: Es ist derzeit schlicht zu wenig rentabel, das Gas in die einfacher zu transportierende und reaktionsfreudigere Flüssigkeit Methanol zu überführen. 

Auf der Suche nach besseren Alternativen haben Nishtha Agarwal von der University of Cardiff und ihre Kollegen nun einen neuen Katalysator getestet: Nanopartikel aus einer Gold-Palladium-Verbindung.

Als zusätzliche Reaktionspartner verwendete das Team zwei weitere Substanzen, wie Agarwals Kollege Graham Hutchings erklärt: „Unser Prozess nutzt Sauerstoff – ein praktisch frei verfügbares Produkt aus der Luft um uns herum – und kombiniert dieses mit Wasserstoffperoxid.“ Bei ihren Versuchen konnten die Wissenschaftler demonstrieren, dass das Methan in einer flüssigen Lösung unter Anwesenheit dieser drei Stoffe zu einem großen Anteil in Methanol überführt wird. Demnach oxidierten rund 92 Prozent des Ausgangsprodukts zu der gewünschten Verbindung und es entstand kaum Kohlenstoffdioxid.

Die Kommerzialisierung der Methode werde zwar Zeit brauchen, schrieben die Forscher im September 2017. Trotzdem erhoffen sie sich, dass ihre Ergebnisse eines Tages zu saubereren, grüneren und wirtschaftlicheren Industrieprozessen beitragen können.

E-Fuels – Kraftstoffe aus dem CO2 der Luft

Methanol (M100) ist als Kraftstoff in der EU bereits genormt und enthält mindestens 82% Methanol. In China ist man etwas weiter. Dort gibt es bereits M100-Tankstellen sowie die passenden Fahrzeuge, die nun in einem Feldversuch den Kraftstoff erproben. China hatte den Fokus extrem auf E-Mobilität gelegt. Damit ist es jetzt vorbei. Stattdessen rücken Verbrenner und Methanol in den Vordergrund. Die Neuausrichtung wirkt sich massiv auf die Branche aus – auch auf die deutschen Automobilhersteller.

Als sauberer und erschwinglicher Transportkraftstoff kann Methanol auch die Lücke für die boomende Fahrzeugelektrifizierung in China schließen. Neue Technologien zur Nutzung von Methanol in solchen Fahrzeugen werden auch in China entwickelt. Olah Motors nutzt Methanol zur Erzeugung von Elektrizität über einen kleinen Verbrennungsmotor für Elektro-Kfz zwecks Reichweitenverlängerung. Olah Motors hat eine Flotte von 30 LKWs mit Methanol-Reichweitenverlängerung in aktuellen Strecken. Palcan und Hydrogen Co., verwenden Methanol als Wasserstoffträger für PEM-Brennstoffzellen. Palcans erste Reformed Methanol Fuel Cells (RMFC)-Fahrzeug wurde zertifiziert und fünf Fahrzeuge befinden sich im Testbetrieb.

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In Südamerikas gibt es daher viele Fahrzeuge die auf Methanolbetrieb umgerüstet wurden. An Methanoltankstellen können diese auf die gleiche Weise wie benzinbetriebene Fahrzeuge betankt werden.

Ebenso sind in Indien Methanol-Busse seit 2104 in Pilot-Projekten im Einsatz.

Bild: energie-portal – Fotolia

Die Herstellungskosten für den M100 Kraftstoff sind günstiger als bei den klassischen flüssigen Kraftstoff, auch die Herstellungskosten der Fahrzeuge könnten gesenkt werden. Der Kraftstoff Methanol ist darüber hinaus gut biologisch abbaubar.

Mit der Energiewende wird unser Strommix in Deutschland immer grüner und nachhaltiger. Das führt aber auch zu Schwankungen im Stromnetz, da die Sonne nicht immer scheint und der Wind nicht immer weht, wenn wir es gerade brauchen. E-Fuels könnten hier ein interessanter Baustein sein. Am KIT in Karlsruhe steht die weltweit erste integrierte Anlage, die CO2 der Luft saugen und daraus Kraftstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin herstellen kann. Und wenn der Strom, der dafür verwendet wird, bei der Erzeugung kein CO2 verursacht hat, dann könnten wir Autos, Schiffe und Flugzeuge schon heute CO2-neutral machen, ohne sie umrüsten zu müssen.

Quellen: BMWI, energie-portal.net, Fraunhofer ISE, kfz-betrieb.vogel.de, LIKAT, Methanol Institut Peking, StenaLine, WEKA, wissenschaft.de

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