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Methanisierung

Definition: die Erzeugung von Methan aus anderen Gasen

Englisch: methanation

Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.02.2013; letzte Änderung: 15.09.2021

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Aus wasserstoffhaltigen Gasen lässt sich mit Hilfe gewisser chemischer Reaktionen das brennbare Gas Methan (CH4) herstellen, welches dann z. B. als synthetisches Erdgas in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. (Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas.) Dieser Prozess wird als Methanisierung bezeichnet. Wenn Wasserstoff aus erneuerbaren Energie verwendet wird, nennt man das erzeugte Gas auch EE-Gas (= Gas aus erneuerbaren Energien).

Methanisierung bei Power to Gas

Im Rahmen des Konzepts Power to Gas erhält man zunächst durch Elektrolyse das Gas Wasserstoff (H2). Dieser kann ebenfalls in das Erdgasnetz eingespeist werden, aber nur in begrenzten Mengen, hauptsächlich weil Wasserstoff eine wesentlich geringere Energiedichte als Methan aufweist. Für Einspeisungen in größerem Umfang bietet sich deswegen die Methanisierung an. In diesem Fall wird Kohlendioxid (CO2), welches z. B. aus einem Kraftwerk mit Verbrennung fossiler Energieträger oder von Biomasse gewonnen wird, an einem (meist festen) Katalysator bei ca. 300 °C zu Methan und Wasserdampf umgesetzt:

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O

Diese Reaktion ist exotherm, d. h. sie setzt Wärme frei. Dies führt leider dazu, dass die im erzeugten Methan enthaltene Energie (der Brennwert) um ca. 14 % geringer ist als die des eingesetzten Wasserstoffs. Von daher liegt der maximale Wirkungsgrad der Methanisierung bei ca. 86 %; in der Praxis kann er noch etwas niedriger liegen, z. B. bei 80 %. Die Energiebilanz würde natürlich verbessert durch Nutzung der Abwärme.

Die Reaktionswärme muss gezielt abgeführt werden, weil eine zu stark ansteigende Temperatur die Umsetzung unvollständig machen würde; sie ist meist nicht mehr nutzbar. Umgekehrt bremst eine zu niedrige Temperatur aber die Reaktion.

Für die Durchführung des Prozesses wird konzentriertes Kohlendioxid (CO2) benötigt. Dieses kann beispielsweise aus Abgasen von Kraftwerken gewonnen werden. Sollte jedoch die Methanisierung in einer fernen Zukunft breit eingesetzt werden, während gleichzeitig kaum noch fossil befeuerte Kraftwerke laufen, könnte die Versorgung mit CO2 problematisch werden. Ein Stück weit ließen sich Abgase aus Anlagen verwenden, die z. B. mit Biomasse befeuert werden. Soweit dies nicht ausreicht, müsste dann ggf. CO2 aus der Luft gewinnen, was jedoch wegen der dort geringen Konzentration mit einem zusätzlichen Energieaufwand und mit zusätzlichen Kosten verbunden wäre.

Es gibt Überlegungen, die Methanisierung mit einer Hochtemperatur-Elektrolyse zur Erzeugung des Wasserstoffs so zu koppeln, dass die Abwärme der Methanisierung für den Elektrolyseprozess genutzt werden kann. Die Methanisierung wäre also nicht mehr mit 14 % Energieverlust verbunden, wenn diese Wärme genutzt werden kann. Damit ließe sich der Gesamtwirkungsgrad (von Strom zu Methan) deutlich steigern – im Prinzip auf ca. 85 %.

Ein anderer Ansatz wäre die Direktmethanisierung; hier würde statt des reinen Kohlendioxids Roh-Biogas als Ausgangsstoff verwendet. Das hätte den Vorteil, dass nicht zunächst reines Kohlendioxid gewonnen werden muss; es entfiele der entsprechende apparative Aufwand und Energieverlust. Derzeit wird ein solches Verfahren im kleinen Maßstab getestet und optimiert.

Methanisierung mit Kohlenmonoxid

Auch mit Kohlenmonoxid (CO) ist die Methanisierung möglich:

CO + 3 H2 → CH4 + H2O

So lässt sich z. B. aus Synthesegas synthetisches Erdgas herstellen. Das Synthesegas lässt sich z. B. durch Kohlevergasung oder Biomassevergasung herstellen.

Die Methanisierung wird auch bei der Haber-Bosch-Synthese zur Gewinnung von Ammoniak angewandt. Hier wird zunächst Wasserstoff durch Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen. Das erhaltene Gas enthält noch etwas Kohlenmonoxid, welches durch die Methanisierung entfernt wird. Damit wird vermieden, dass das Kohlenmonoxid den Katalysator schädigt, der für die Ammoniaksynthese benötigt wird. Hier geht es also im Kern nicht um die Gewinnung von Methan, sondern um die Entfernung von Kohlenmonoxid.

Die Methanisierung mit CO ist noch stärker exotherm als mit CO2; der Energieverlust ist also größer.

Biologische Methanisierung

Die Methanisierung kann auch mithilfe gewisser Mikroorganismen (Archaeen) durchgeführt werden; man spricht dann von einer biologischen Methanisierung. Die dafür notwendigen Bakterien können beispielsweise aus Fermenten von Biogasanlagen gewonnen werden. Die biologische Methanisierung eignet sich zusammen mit einer Elektrolyseanlage als Ergänzung für eine Biogasanlage, um dort in Zeiten mit Stromüberschüssen Wasserstoff und daraus dann zusätzliches Methan zu erzeugen.

Leider schaffen die Bakterien in der Regel keine vollständige Umwandlung der eingesetzten Gase, sodass die erzielte Methankonzentration für eine direkte Einspeisung als Bioerdgas in das Erdgasnetz nicht hoch genug ist; es wird deswegen eine zusätzliche Gasreinigung benötigt. Das Funktionieren des Verfahrens wurde jedoch zumindest in kleinen Anlagen bereits demonstriert. Zukünftig könnte damit der Beitrag von Biogasanlagen zur Stabilisierung der Stromnetze deutlich vergrößert werden; es könnte dann nicht nur Strom gezielt zu Zeiten hohen Bedarfs erzeugt werden, sondern solche Anlage könnten auch überschüssigen Strom verwerten, effektiv also als Speicher für elektrische Energie dienen.

Fragen und Kommentare von Lesern

05.06.2020

Liegt der gesamte Wirkungsgrad des kompletten Prozesses nicht bei maximal 65,2 % (der Carnot-Schwelle)?

Antwort vom Autor:

Nein, denn dieser ist nur relevant bei Wärmekraftmaschinen.

22.06.2020

Wasserstoff hat doch aber eine höhere Energiedichte als Methan: 33,3 kWh/kg gegenüber 13,9 kWh/kg. Der Transport von Methan ist wahrscheinlich lukrativer als Wasserstoff, oder wie war dies gemeint?

Antwort vom Autor:

Trotz der höheren gravimetrischen Energiedichte von Wasserstoff ist die Transportkapazität einer Pipeline für Wasserstoff (bezogen auf die transportierte Leistung) erheblich geringer als für Methan. Dem ist es natürlich viel praktischer, irgendwo zusätzlich erzeugtes Methan mit einer Erdgasleitung mit zu transportieren, als irgendwelche Leitungen grundsätzlich auf Wasserstoff umzustellen – gerade solange noch nicht allzu viel Wasserstoff erzeugt wird.

05.02.2021

Wäre eine direkte elektrolytische H2-Erzeugung bei Windparks und die direkte Weiterverarbeitung zu Methan vor Ort von der Anlagengröße her denkbar?

Antwort vom Autor:

Sicher, bei Dutzenden oder gar Hunderten von Megawatt Gesamtleistung wäre das durchaus möglich.

23.02.2021

Können bei der Methanisierung noch andere Produkte entstehen?

Antwort vom Autor:

Im Prinzip ja, aber in der Praxis dürfte dies kaum eine Rolle spielen.

05.05.2021

Wenn man davon ausgeht, daß die Saharasonne mehr als genug erneuerbare Energie liefert, warum ist dann der Wirkungsgrad überhaupt noch so wichtig? Dann braucht man eben eine 30 % größere Anlage. Wenn man außerdem die Umsetzung auf Methan stationär und nah an der Erzeugung (Küste Westsahara) macht, skaliert nur noch die Anlagen-Größe mit 1/Wirkungsgrad, aber doch nicht mehr die Betriebskosten dieser Anlage und für Transport / Distribution hat man ja schon die Mengen reduziert, ist also bei fossilen Kosten ohne Wirkungsgradaufschlag.

Wurde das überhaupt schon mal standortoptimiert betrachtet, oder ist der Blick auf den Wirkungsgrad unvermeidbarer Reflex und Multiplikator auf die Gesamtkosten?

Antwort vom Autor:

Der begrenzende Faktor ist natürlich nicht die zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung, sondern der Aufwand für die Bereitstellung dieser Energiemengen. Dazu gehört dann übrigens auch die graue Energie für die entsprechend größeren Anlagen.

Ihre Überlegungen zur Skalierung kann ich nicht ganz nachvollziehen. Bei den Betriebskosten für die Wasserstofferzeugung spielt der Wirkungsgradverlust durch die Modernisierung selbstverständlich eine Rolle, da ja bezogen auf die gleichen Kosten weniger Energie am Ende lieferbar ist. Anders sieht es aus beim Transport, zudem Methan leichter zu transportieren ist als Wasserstoff.

Denkbar ist es schon, dass wir zukünftig gewisse Mengen von synthetischem Erdgas aus fernen Anlagen importieren werden. Jedoch ist hier vieles noch unklar, beispielsweise wo her das CO2 für die Methanisierung in der Sahara dann stammen soll. Im Prinzip könnte man es aus der Luft gewinnen, aber nur mit sehr großem Aufwand.

10.05.2021

Ist es also denkbar, direkt an einem Kohlekraftwerk einen Katalysator anzubringen, das dort anfallende CO2 aus den Abgasen aufzufangen und zu methanisieren? Das Methan kann dann im Verkehr, für Heizungen und in der Industrie verwendet werden. Dann hätte man doch auch einen klimaneutralen Kreislauf.

Antwort vom Autor:

Zunächst einmal bräuchte man, um einen großen Teil des CO2 zu methanisieren, enorme Mengen von Wasserstoff, die mit einem enormen Energieaufwand erzeugt werden müssten. Von daher ist das nicht praktikabel. Außerdem ist es nicht klimaneutral, wenn man fossilen Kohlenstoff (hier aus Kohle) so verwendet, dass er hinterher als CO2 in der Atmosphäre landet (hier: bei der Nutzung des Methans).

08.07.2021

Wie groß ist denn der Wirkungsgrad, um das CO2 für die Methanisierung aus der Atmosphäre zu gewinnen? Das geht ja dann auch noch in den Gesamtwirkungsgrad mit ein.

Wäre Ammoniak so gesehen dann nicht effizienter?

Antwort vom Autor:

Der Energieaufwand für die Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre kann nicht mit einem Wirkungsgrad beziffert werden, ist aber jedenfalls erheblich. Deswegen verwendet man meist konzentrierte Quellen von CO2, meistens Verbrennungsabgase. Bei der Verwendung von Mechanisierung in einer klimafreundlichen Zukunft müsste man aber wohl auch atmosphärisches CO2 nutzen, was sicherlich ein wesentlicher Effizienznachteil wäre. Dies könnte in der Tat andere Konzepte wie Ammoniak begünstigen, wobei diese allerdings auch nicht alle optimal effizient sind.

31.08.2021

Ein Gedankenspiel: Direct Air Capture wird neben einer Methanisierungsanlage in Verbindung mit Wind/PV-Anlagen installiert. DAC benötigt Energie und Wärme, geliefert von Windanlagen/PV und Methanisierungsanlage, Speicherung CO2 entfällt durch Umwandlung Wind/PV-Energie + CO2 in Methan.

Über die vorhandenen Pipelines kann das Methan für dezentrale Energieerzeugung (Stadtwerke) verwendet werden.

Sicherlich nicht ganz CO2-neutral und sicherlich teuer, aber in Relation zu den Umweltschäden und Investitionen für Gegenmaßnahmen?

Antwort vom Autor:

Das klingt tatsächlich nicht schlecht: gute Nutzung der Abwärme von der Methanisierung und direkte Nutzung des CO2. Mal sehen, ob das verfolgt werden wird.

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