Der Prozess der Methanisierung nutzt CO2, etwa aus der
Biogasproduktion: Zusammen mit Wasserstoff (H2)aus
überschüssigem Ökostrom entsteht Methan, das im
Erdgasnetz einfach und kostengünstig nicht nur verteilt,
sondern auch über längere Zeit gespeichert werden kann.
Aus erneuerbaren Energien wird so ein « quasi-fossiler»
Brennstoff erzeugt – das Grundprinzip von
«Power-to-Gas».
Die so genannte Sabatier-Reaktion, die aus Wasserstoff und CO2
brennbares Methan erzeugt, ist seit langem bekannt. Nun ist es
Forschern der Empa-Abteilung «Wasserstoff und Energie»
gelungen, den Prozess deutlich zu optimieren. Um die Reaktion von
CO2 und Wasserstoff mit möglichst wenig Energieaufwand 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 (also 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.
Projektpartner gesucht
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. Zugleich
möchte 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. Dann wäre überschüssiger Ökostrom
keine Wegwerfware mehr, sondern Basis für nachhaltig erzeugtes
Erdgas.
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