Ausgangslage

• Für die Einspeisung von synthetischem Methan ins Erdgasnetz ist eine Methankonzentration von über 96 Prozent erforderlich. Rein katalytische Methanisierungsverfahren erreichen diesen Wert aufgrund thermodynamischer Grenzen nicht, und kommerziell verfügbare Katalysatoren sind für Wasserstoff-Kohlendioxid-Gemische nur bedingt geeignet.
• In der Schweiz werden rund 30 Terawattstunden Methan jährlich eingesetzt, davon 45 Prozent für Raumwärme und 33 Prozent für industrielle Prozesswärme. Der erneuerbare Anteil liegt heute bei lediglich rund 10 Prozent, und die Energieperspektiven 2050+ des Bundesamtes für Energie zeigen, dass synthetisches Methan je nach Szenario bis zu 14 Terawattstunden zur Versorgung beitragen könnte.
• Synthetisches Methan aus grünem Wasserstoff und atmosphärischem Kohlendioxid verursacht bei der Bereitstellung von Prozesswärme 67 Prozent weniger Treibhausgasemissionen als fossiles Erdgas. Es kann über das bestehende Gasnetz verteilt und in bestehenden Anlagen genutzt werden, ohne dass neue Infrastruktur erforderlich ist.
• Die sorptionsverstärkte Methanisierung wurde an der Empa bereits 2013 im Labor entwickelt, fehlte aber bisher in einer anwendungsnahen Grösse. Das Projekt move-MEGA schloss diese Lücke, indem der Prozess vom Labormassstab auf eine industrierelevante Demonstrationsanlage übertragen wurde.

Projektbeschrieb

Die Empa entwickelte und betrieb in Dübendorf am Mobilitätsdemonstrator «move» eine 50-kW-Power-to-Gas-Demonstrationsanlage, die grünen Wasserstoff aus einer 180-kW-Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse mit atmosphärischem Kohlendioxid aus einer Direct-Air-Capture-Anlage von Climeworks kombiniert. Kernstück ist ein zweistufiger Methanisierungsprozess: In der ersten Stufe wird der Grossteil des Kohlendioxids mit einem konventionellen Nickel-Katalysator umgewandelt, in der zweiten Stufe wandeln sorptionsverstärkte Reaktoren das restliche Kohlendioxid nahezu vollständig um, indem das Reaktionswasser direkt im Katalysatorbett durch Zeolith-Sorbentien gebunden wird. Die dabei in der ersten Stufe freiwerdende Wärme auf einem Temperaturniveau von 300 bis 350 Grad Celsius dient zur Regeneration der Sorptionsreaktoren, sodass kein externer Wärmebedarf entsteht. Eine Hochtemperaturwärmepumpe nutzt zusätzlich die Abwärme des Elektrolyseurs bei 50 Grad Celsius, um den Wärmebedarf der Kohlendioxid-Abscheideanlage zu decken. Das Produktgas erfüllt mit einer Methankonzentration von über 96 Prozent direkt die Anforderungen für die Einspeisung ins Erdgasnetz.

Projektziele

• Synthetisches Methan mit einer Methankonzentration von über 96 Prozent wird direkt aus dem Prozess erzeugt, ohne nachgelagerte Gasreinigung.
• Die sorptionsverstärkte Methanisierung wird erstmals auf einer Leistungsstufe von 50 kW bei einem Systemdruck von 10 bar demonstriert.
• Die energetische Kopplung von Elektrolyse, Direct-Air-Capture-Anlage und Methanisierung durch interne Wärmerückgewinnung wird ohne externe Wärmezufuhr nachgewiesen.

Erkenntnisse

Der zweistufige Prozess erreichte im Labordemonstrator eine Kohlendioxid-Umwandlung von über 99.95 Prozent in der sorptionsverstärkten zweiten Stufe und ermöglichte damit erstmals die direkte Herstellung von netzfähigem synthetischem Methan ohne Nachbehandlung. Eine Begleitstudie zur Ökobilanz zeigt, dass die Bereitstellung von 1 Megawattstunde Prozesswärme mit synthetischem Methan 67 Prozent weniger Treibhausgasemissionen verursacht als mit fossilem Erdgas, bei einem doppelt so hohen Primärenergiebedarf von 2.48 Megawattstunden Elektrizität. Das Sorptionsmaterial Zeolith 13X stabilisiert sich nach wenigen Betriebszyklen bei rund 80 Prozent der Anfangskapazität und bleibt danach langfristig stabil, was als Auslegungsbasis für die Demonstrationsanlage diente. Aus den Erkenntnissen zur thermischen Regulierung des Reaktorbetriebs resultierte zudem ein Patent, und es wurde ein skalierbares Herstellungsverfahren für den Sorptionskatalysator im Industriemassstab entwickelt.

Ausblick

Die gewonnenen Erkenntnisse fliessen in mehrere Folgeprojekte ein, darunter das vom Bundesamt für Energie unter dem SWEET-Programm finanzierte Grossprojekt reFuel.ch zur Versorgung der Schweiz mit nachhaltigen Energieträgern sowie das Projekt ESCoDAC zur Effizienzsteigerung von Direct-Air-Capture-Anlagen. Der entwickelte zweistufige Methanisierungsprozess ist auf andere Standorte mit biogenem Kohlendioxid, etwa aus Biogas- oder Kläranlagen, übertragbar und damit auch für kommunale Energieversorger im Kanton Zürich relevant.

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Projektpartner

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