Warum nicht Methan?
Power-to-Gas versus Power-to-Liquid (Silicon Fire-Methanol)
Prof. Dr.-Ing. Roland Meyer-Pittroff,
Technische Universitaet Muenchen
Unter Power-to-Gas (PtG) wird üblicherweise die Umwandlung elektrischer Energie, vorzugsweise aus fluktuierenden regenerativen Quellen, in ein energiereiches Brenngas verstanden, das zur Speicherung und späteren Nutzung dem Erdgasnetz zugeführt werden soll.
Erster Schritt dazu ist die Elektrolyse von Wasser H2O mit Erzeugung von Wasserstoff H2 und nicht direkt benötigtem Sauerstoff O2 nach der Reaktion:
H2O (flüss.) = H2 (g) + 0,5O2 (g) + 286 kJ/mol.
Der Wasserstoff kann direkt dem Erdgas beigefügt werden, allerdings soll der Wasserstoffgehalt im Erdgas maximal im einstelligen Vol.-%-Bereich liegen. Deshalb beinhaltet der PtG-Prozess i.a. die weitere Umwandlung des Wasserstoffes in Methan, den Hauptbestandteil des Erdgases, zusammen mit Kohlendioxid CO2 aus industriellen Quellen. Die entsprechende chemische Reaktion wird nach dem Erfinder (Anfang des 20. Jh.) Sabatier-Prozess genannt:
CO2 (g) + 4H2 (g) = CH4 (g) + 2H2O (g) -165,0 kJ/mol.
Veröffentlichte katalytische Prozessbedingungen bisheriger Versuchsanlagen sind relativ hohe Temperaturen im Bereich 230 – 780 °C (Schwerpunkt 300 – 400 °C) und relativ niedrige Drücke im Bereich 1 – 86 bar (Schwerpunkt um 30 bar). Bemerkenswert ist die relativ hohe abzuführende Reaktionswärme, die ein energetischer Verlust ist. Dementsprechend liegen veröffentlichte energetische Wirkungsgrade der Umwandlung vom Wasserstoff zum Methan nur bei 40 – 50 %.
Der Sabatier-Prozess wurde bisher industriell nicht realisiert, weil er nicht benötigt wurde. Die weltweite Wasserstoffproduktion von ca. 50 Mio. t/a basiert im Wesentlichen auf Erdgas (Methan); nirgends wurde bisher umgekehrt Methan aus Wasserstoff hergestellt. In den letzten Jahren wurden unter der neuen Zielsetzung der Energiespeicherung einige kleinere Sabatier-Versuchsanlagen realisiert.
Die Eingangsstoffe für Power-to-Liquid (PtL) sind wie bei PtG Elektrolysewasserstoff und Kohlendioxid, die allerdings katalytisch in den flüssigen Alkohol Methanol CH3OH umgewandelt werden nach der Reaktion:
CO2 (g) + 3H2 (g) = CH3OH (g) + H2O (g) – 49,6 kJ/mol (Silicon Fire-Reaktion).
Diese Reaktion ist der klassischen Methanolsynthese
CO (g) + 2H2 (g) = CH3OH (g) – 90,7 kJ/mol
sehr ähnlich, die seit 1923 großtechnisch für die Methanolherstellung aus fossilem Synthesegas eingesetzt wird (z.Z. weltweit ca. 50 Mio. t/a). Das fossile Synthesegas wird aus Erdgas, Kohle oder Raffinerierückständen hergestellt.
Die Reaktionsbedingungen des Silicon Fire-Reaktion liegen bei ca. 270 °C und 80 bar. Der höhere Druck führt zu kleinen Reaktorabmessungen; die relativ geringe Reaktionswärme ermöglicht energetische Wirkungsgrade bis 80 %.
Das fossile Methanol wird vor allem als Chemierohstoff verwendet, aber auch als Lösungsmittel und Kraftstoffzusatz.
Methanol ist (chemisch dem Ethanol sehr ähnlich) ein hervorragender Kraftstoff für Otto-Motoren, bis auf den nur halben volumetrischen Heizwert in allen anderen Parametern dem Benzin überlegen (siehe Tabelle). Deshalb verwenden alle hoch belasteten Modellmotoren Methanolkraftstoff, in Zukunft wahrscheinlich auch die Range-Extender von Elektrofahrzeugen. Methanol kann als Reinkraftstoff oder als Benzinzusatz verwendet werden; nach den gültigen europäischen Kraftstoffnormen sind 3,0 Vol.-% Methanol im Benzin zulässig.
Die Silicon Fire AG, Meggen/CH, hat die PtL-Technologie entwickelt, dafür verschiedene Schutzrechte angemeldet und in einer industriellen Pilotanlage realisiert (siehe Bild). Besonders vorteilhaft ist das Silicon Fire-Verfahren „Direktoxidation“, bei dem Elektrolysewasserstoff und Kohlendioxid kombiniert mit Synthesegas aus Erdgas für die Methanolsynthese verwendet werden und für die Synthesegaserzeugung der Elektrolysesauerstoff verwertet wird. Bei diesem Verfahren wird die EU-Forderung für regenerative Kraftstoffe von 35 % Treibhausgasminderungspotential eingehalten.
Der ganz wesentliche Vorteil von PtL gegenüber PtG ist die wesentlich höhere Wertschöpfung von PtL. Bei PtG wird die hochwertige und teure Energie des Wasserstoffes herabgestuft auf das Niveau des nach Kohle zweitbilligsten Primärenergieträgers Erdgas, was im größeren Umfang dem deutschen EEG analog neue Multimilliarden-Subventionen erfordern würde.
PtL erzeugt dagegen einen hochwertigen regenerativen flüssigen Kraftstoff, der wie Bio-Ethanol Mineralölkraftstoff subsituieren kann, allerdings ohne die Beschränkungen der Biokraftstoffe, und dessen spezifischer Wärme-/Energiepreis vier bis sechs Mal höher ist als der von Methan (=Erdgas)!
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