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Methanisierung

Definition: die Erzeugung von Methan aus anderen Gasen

Englisch: methanation

Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.02.2013; letzte Änderung: 27.12.2017

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. Man 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. 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 sind viele 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.

Siehe auch: Methan, Wasserstoff, Power to Gas, synthetisches Erdgas, EE-Gas, Direktmethanisierung
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

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