Pyrolyse von synthetischem Methan

Publiziert

Negative Emissionen trotz enormem Energieaufwand: Aus der Wüste in die Schweizer Industriehalle: Im Rahmen der neuen Empa-Forschungsinitiative «Mining the Atmosphere» verfolgen Forschende das Ziel, erneuerbare Energie im «Sonnengürtel» der Erde zu ernten, einige Male umzuwandeln und über weite Strecken dorthin zu transportieren, wo sie benötigt wird. Ein Blick auf die Energie- und Treibhausgasbilanzen zeigt: Das Konzept benötigt zwar viel Energie, kann aber insgesamt zu negativen CO2-Emissionen führen.

Die Industrie ist neben dem Gebäudepark und der Mobilität der drittgrösste Energieverbraucher der Schweiz. Insbesondere Hochtemperatur-Prozesse in der Metallverarbeitung und der chemischen Industrie, die oft mit Erdgas betrieben werden, führen zu einem Endenergieverbrauch dieses Sektors von jährlich rund 22 Terawattstunden. Gemeinsam mit dem Tech Cluster Zug, dem Kanton Zug und über einem Dutzend weiteren Partnern hat sich die Empa 2022 zum «Verein zur Dekarbonisierung der Industrie» (VzDI) zusammengeschlossen. In diesem Rahmen wollen die Empa-Forschenden dazu beitragen, Hochtemperatur-Prozesswärme zu dekarbonisieren. «Die Dekarbonisierung nehmen wir dabei wörtlich», sagt Christian Bach, Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme der Empa. «Wir trennen durch ein Pyrolyseverfahren den Kohlenstoff im Erdgas vor der Verbrennung ab». Was bleibt, ist Wasserstoff, mit dem die industriellen Hochtemperaturprozesse betrieben werden können, und der abgetrennte Kohlenstoff in Pulverform, der für Anwendungen in der Bau- und Landwirtschaft weiterentwickelt werden soll. Eine entsprechende Demonstrationsanlage befindet sich in der Auslegungsphase und wird in den nächsten zwei Jahren in Zug aufgebaut. Der Wasserstoff wird dort dann im Emaillierungsofen der V-Zug AG genutzt.

 

Doppelte Sonneneinstrahlung

Verwendet man anstelle von Erdgas synthetisches Methan, dann lassen sich über den ganzen Prozess sogar negative Treibhausgasemissionen realisieren. Und zwar deshalb, weil für die Herstellung von synthetischem Methan CO2 aus der Atmosphäre entnommen wird, das nicht mehr emittiert, sondern in Form von festem Kohlenstoff zur Verfügung steht. «Dass wir den gewaltigen Energiebedarf unserer Industrie durch eine inländische Produktion von erneuerbarem Wasserstoff oder synthetischem Methan decken können, ist allerdings nicht realistisch», sagt Bach. Der Blick richtet sich deshalb in die Wüstenregionen der Erde – dorthin also, wo im Vergleich zur Schweiz eine doppelt so hohe Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter erfolgt.

 

Ziel: Hochtemperaturwärme mit negativen Emissionen

Die Herstellung von synthetischem Methan in der Wüste, der Transport nach Europa und die anschliessende Pyrolyse sind jedoch verlustbehaftete Prozesse. Entsprechend müssen die Energie- und Treibhausgasbilanzen des Gesamtprozesses genau unter die Lupe genommen werden. Christian Bach und sein Team haben mit Vertretern des VzDI die ganze Versorgungskette analysiert und mit anderen Verfahren verglichen. Als Vergleichswert dient eine Megawattstunde (MWh) Hochtemperaturwärme für die Industrie. Nutzt man zu deren Bereitstellung – wie bis anhin – Erdgas, sind dazu 1,2 MWh Primärenergie nötig, und es wird 288 kg CO2 (bzw. CO2-Äquivalente) ausgestossen. Die Primärenergie beinhaltet auch die Energie, die für die Förderung des Gases – zum Beispiel im Nahen Osten – und den Transport aufgewendet wird und berücksichtigt zudem die Verluste durch Methanschlupf. Etwa ein Fünftel der Emissionen entstehen bei der Bereitstellung des Erdgases, der Rest bei dessen Nutzung.

Wenn nun das Erdgas vor der energetischen Nutzung durch Pyrolyse dekarbonisiert und nur der dabei entstandene Wasserstoff für die Erzeugung der Hochtemperaturwärme genutzt wird, können die CO2-Emissionen insgesamt um 40% auf 178 kg gesenkt werden. Gleichzeitig steigt aber der Primärenergiebedarf an, weil mehr Erdgas erforderlich wird und weil zusätzlich Strom für die Pyrolyse nötig ist. 1 MWh Hochtemperaturwärme benötigt in diesem Szenario 2,6 MWh Primärenergie.

 

Mehr Energie, weniger Emissionen

Wird nun anstelle von fossilem Erdgas erneuerbares synthetisches Methan verwendet, sinken die CO2-Emissionen tatsächlich in den negativen Bereich, allerdings steigt der Primärenergiebedarf weiter an. Die Bilanzierung beruht auf der Annahme, dass das CO2, das für die Herstellung des synthetischen Methans notwendig ist, mittels einer «Direct-Air-Capturing»-Anlage direkt aus der Atmosphäre gewonnen wird. «Dazu ist ein hoher Energieaufwand nötig», erklärt Christian Bach und nennt damit auch gleich den Grund, weshalb er sich solche Anlagen vor allem in Wüstenregionen vorstellen kann. Kommt dazu, dass auch die Herstellung von Solar- und Windkraftanlagen mit Emissionen verbunden ist. Berücksichtigt man all diese Faktoren, resultiert bei einer direkten Nutzung von synthetischem Methan für die Erzeugung von 1 MWh Hochtemperaturwärme ein Primärenergiebedarf von 3,5 MWh und Treibhausgasemissionen von 126 kg CO2. Trennt man nun allerdings mittels Pyrolyse den Kohlenstoff vom Wasserstoff ab und nutzt nur diesen Teil energetisch, wechselt die Emissionsbilanz ins Negative: Der gesamte Prozess führt zu negativen Emissionen von -77 kg CO2 – allerdings bei einem nochmals höheren Primärenergieaufwand von 6,2 MWh.

«Klar, der Primärenergieaufwand dieses Konzepts ist hoch – rund zweieinhalb bis drei Mal höher als bei der effizientesten Wasserstofferzeugung in der Schweiz», räumt Bach ein. «Da aber pro Quadratmeter Photovoltaik in Wüstenregionen zwei bis zweieinhalb Mal mehr Strom erzeugt werden kann als bei uns, braucht dieser Ansatz kaum mehr Photovoltaik-Fläche.» Eine Herausforderung seien die Kosten. Gelänge es jedoch, den Kohlenstoff als Rohstoff für nicht-energetische Anwendungen zu vermarkten, dann könnte der gesamte Prozess durchaus wirtschaftlich sein, ist Bach überzeugt.

EVENTS

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

FILTECH

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 12.-14. November 2024

Ort: Köln (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Pharmapack Paris

Europas führende Veranstaltung für Verpackung und Medikamentenlieferung.

Datum: 22.-23. Januar 2025

Ort: Paris (F)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 22.-23. Januar 2025

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 22.-23. Januar 2025

Ort: Zürich (CH)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 11.-14. Februar 2025

Ort: Nürnberg (D)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 07. März 2025

Ort: Wädenswil (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 11.-13. März 2025

Ort: Stuttgart (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Lyon (F)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 17.-18. März 2025

Ort: Berlin (D)

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 31. März.-04. April 2025

Ort: Hannover (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 06.-08. Mai 2025

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 03.-06. Juni 2025

Ort: Genf (CH)

CosmeticBusiness

Entdecken Sie innovative Verpackungslösungen für eine nachhaltige Zukunft der Kosmetikindustrie

Datum: 04.-05. Juni 2025

Ort: München (D)

The Pharma Days

Die Pharma Days (TPD) sind eine Veranstaltung unter Ausschluss der Öffentlichkeit, die Zusammenarbeit, Innovation und Geschäftswachstum vorantreiben soll.

Datum: 04.-05. Juni 2025

Ort: Genf (CH)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 16.-18. September 2025

Ort: Basel (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 17.-20. September 2025

Ort: Düsseldorf (D)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 21.-22. Oktober 2025

Ort: Stuttgart (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft

Datum: 20.-23. Januar 2026

Ort: Basel (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des globalen Wasserkreislaufs

Datum: 04.-06. Februar 2026

Ort: Bulle (CH)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Moutier (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 04.-08. Mai 2026

Ort: München (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 20.-21. Mai 2026

Ort: Zürich (CH)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Lausanne (CH)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Frankfurt am Main (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 06.-08. Oktober 2026

Ort: Stuttgart (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 14.-18. Juni 2027

Ort: Frankfurt am Main (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 09.-17. Mai 2028

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis