Schweizerisch-schwedisches Forschungsprojekt zu Power-to-Gas

In den Schweizer Städten ist zurzeit eine flächendeckende Elektrifizierung des Busverkehrs zu beobachten – sei es durch Einrichtung neuer Trolleybus- und Tramlinien, sei es durch Einsatz von Batteriebussen mit Ladestationen im Depot oder an den Haltestellen. Auch die nordschwedische Stadt Uppsala setzt auf einen öffentlichen Verkehr ohne Kohlenstoffemissionen. Doch die Agglomeration mit ihren 250 000 Einwohnerinnen und Einwohnern hat eine Ausgangslage, die sich von Schweizer Städten unterschiedet: Die 400 Stadt- und Regionalbusse von Uppsala fahren überwiegend mit Biodiesel aus Pflanzenöl (rund 240) oder mit Biomethan (rund 160). Hinzu kommt eine Handvoll batterieelektrischer Busse. Die Betreibergesellschaft arbeitet darauf hin, den (importierten) Biodiesel durch (lokal produziertes) Biogas zu ersetzen.

Mehrertrag aus bestehenden Biogasanlagen

Zusätzliches Biomethan lässt sich gewinnen, indem man neue Biogasanlagen baut, oder aber bestehende Anlagen optimiert: Biogas aus herkömmlichen Anlagen besteht zu rund 60% aus dem energetisch nutzbaren Methan (CH_₄), der Rest ist hauptsächlich CO_₂, das bislang aus dem Rohbiogas abgetrennt wird. Dieses CO_₂ lässt sich allerdings energetisch nutzen, indem man es unter Beimischung von erneuerbarem Wasserstoff in Methan verwandelt (methanisiert; s. Box 1). So lässt sich die Methanproduktion einer Biogasanlage um ca. 60% erhöhen. Da man zur Herstellung des Wasserstoffs Strom einsetzt, spricht man von einer Power-to-Gas-Anlage.

Ein schweizerisch-schwedisches Forscherteam hat in den letzten vier Jahren die technischen und wirtschaftlichen Aspekte einer solchen Power-to-Gas-Anlage für den Standort Uppsala untersucht. Beteiligt waren die Schwedische Fachhochschule für Agrarwissenschaften (SLU) in Uppsala und – als Junior-Partner – das IET-Institut für Energietechnik (Rapperswil) der Ostschweizer Fachhochschule (OST) (Fig. 1). Finanzielle Unterstützung leisteten die Schwedische Energieagentur (Stockholm) und das Bundesamt für Energie BFE im Rahmen des länderübergreifenden Forschungsprogramms ERA-Net Smart Energy Systems. Das Projekt wird im November 2024 abgeschlossen.*

Biomethan-Produktion im grossen Massstab

Das schwedische Entsorgungsunternehmen Uppsala Vatten betreibt eine grosse Biogasanlage, in der vor allem Lebensmittelabfälle aus der Region Uppsala vergärt werden. Die Jahresproduktion von rund 9,3 Mio. Normkubikmetern (Nm^³) Rohbiogas bzw. das daraus gewonnene Methan deckt rund 70% des Treibstoffbedarfs der gasbetriebenen Busflotte in Stadt und Region Uppsala (Fig. 2–5). «Die schwedische Biogasanlage ist deutlich grösser als die Anlagen in der Schweiz. Die technische und wirtschaftliche Erforschung einer Power-to-Gas-Anlage ist vor diesem Hintergrund besonders interessant, weil durch Skaleneffekte tiefere Gestehungskosten für das Biomethan zu erwarten sind», sagt Matthias Frommelt, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Energietechnitk IET.

Zur grossindustriellen Herstellung von Wasserstoff wird bisher die alkalische Elektrolyse eingesetzt. Für den Bau einer Power-to-Gas-Anlage empfiehlt das schwedisch-schweizerische Wissenschaftlerteam nun aber einen Elektrolyseur mit PEM-Technologie (Box 2). Diese sei zwar heute noch teurer, verspreche aber einen höheren Wirkungsgrad, argumentieren die Forscher. Eine weitere technische Frage betrifft das Verfahren, mit dem man aus dem Rohbiogas das CO₂ extrahiert, so dass es anschliessend mit Wasserstoff methanisieren kann. Hierfür wird in Uppsala bisher die sogenannte Wasserwäsche eingesetzt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass das CO_₂ nicht in so reiner Form abgetrennt wird, wie es für die Methanisierung benötigt wird. Soll in Uppsala die Methanisierung genutzt werden, müsste somit das CO_₂ mit einem anderen Verfahren aus dem Rohbiogas abgeschieden werden. In Diskussion ist die sogenannte Aminwäsche, bei der das CO_₂ durch eine Waschlösung aus Amin (einem Ammoniak-Derivat) chemisch gebunden und aus dem Rohbiogas abgetrennt wird.