Aus CO2 wird der Energieträger Methan

Einem Energieträger sieht man oft nicht an, ob er fossilen Ursprungs ist oder aus erneuerbarer Quelle stammt: Strom ist ein Fluss aus Elektronen, unabhängig davon, ob er aus einem Kohlekraftwerk oder von Solarzellen stammt. Ähnlich ist es beim Haushaltsgas: Dieses besteht aus Methan (CH₄). Methan wird heute in der Regel aus Erdgasfeldern gefördert und ist dann fossilen Ursprungs (Erdgas). Methan lässt sich aber auch in Biogasanlagen durch Vergärung von Gülle, Pflanzenresten oder Lebensmittelabfällen gewinnen. Dann redet man von Biogas. Dieses Methan gilt als erneuerbar, da bei seiner Verbrennung nur so viel Kohlendioxid freigesetzt wird, wie zuvor im Gärgut aus der Atmosphäre gebunden wurde. Das Rohgas, das im Fermenter einer Biogasanlage entsteht, enthält gut 50% Methan, zudem etwa 45% CO₂ und weitere Gase. Heute wird in den meisten Anlagen nur das Methan energetisch genutzt. Die übrigen Gase werden abgetrennt und in die Umwelt entlassen. Doch es geht auch anders, denn das CO₂ lässt sich ebenfalls energetisch nutzen: Durch Aufreinigung werden aus dem Rohbiogas Schwefel, Ammoniak und weitere Gase entfernt; es verbleibt ein Gemisch aus Methan und CO₂. Wird diesem Gemisch Wasserstoff (H₂) zugesetzt, kann das CO₂ in Methan umgewandelt (d. h. methanisiert) werden. Mit der Methanisierung des CO₂ kann praktisch die gesamte Gasproduktion eines Fermenters in energetisch nutzbares Biogas umgewandelt werden. Voraussetzung ist, dass der dabei verwendete Wasserstoff «grün» ist, also mit erneuerbarem Strom erzeugt wurde.

Neuartiger Nickel-Katalysator

Damit die Methanisierungsreaktion in Gang kommt, hilft ein metallischer Katalysator. Dieser spaltet CO₂ und H₂ auf und ermöglicht so die Neukombination der Elemente zu CH₄ (Methan) und H₂O (Wasser). Dieses Verfahren ist seit über 100 Jahren bekannt. Doch erst seit Biogas als klimafreundlicher Energieträger hoch im Kurs steht, wird intensiv untersucht, ob bzw. wie die Methanisierung von CO₂ eingesetzt werden könnte, um den Ertrag von Biogasanlagen zu erhöhen. Geforscht wird beispielsweise an der Ostschweizer Fachhochschule in Rapperswil SG. Dort haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Andre Heel in den letzten zehn Jahren den sogenannten Smart-Cat entwickelt: ein Katalysator auf der Grundlage von Nickel, der das CO₂ bereits bei atmosphärischem Druck und 300 °C vollständig in Methan umwandelt (siehe auch Artikel im Aqua & Gas 11/2023, S. 45-49). «Der SmartCat produziert nahezu reines Methan, was kein anderer Katalysator bisher schafft. Allerdings kann Nickel für Mensch und Umwelt problematisch sein, und der Preis des Metalls ist in den letzten Jahren stark gestiegen», sagt Andre Heel. «Daher haben wir in einem neuen Forschungsprojekt danach gefragt, ob wir mit dem Katalysatormetall Eisen ähnlich gute Ergebnisse erzielen, denn Eisen ist unschädlich, breit verfügbar und richtig günstig.» Umgesetzt wurde das BFE-finanzierte Forschungsprojekt in den letzten zwei Jahren durch die promovierte Chemieingenieurin Stefanie Mizuno.

Eisen ersetzt Nickel

Der Eisen-Katalysator basiert auf dem gleichen Konzept wie zuvor der Nickel-Katalysator (Fig. 1 und 2): Die Partikel des Katalysatormetalls werden auf ein porenreiches Trägermaterial (ein sogenannter Zeolith) aufgebracht, der die Fähigkeit hat, das während der Methanisierung entstehende Wasser «aufzunehmen». Dieser Adsorptionsprozess ist essenziell, damit der Methanisierungsprozess ungehindert abläuft und möglichst alles CO₂ in Methan umgewandelt wird. Stefanie Mizuno ist es gelungen, einen Eisen-Katalysator zu designen, der fast die gleiche Leistung zeigt wie zuvor schon der SmartCat auf der Basis von Nickel. Ein erster Anlauf mit reinem Eisen verlief – wie oft in der Forschung – noch unbefriedigend. Der Katalysator verlor recht schnell seine Aktivität. Doch im zweiten Anlauf stabilisierte Mizuno das Eisen mit einem zweiten Metall in minimaler Menge (Dotierung). Dank dieser Beigabe bleibt das Eisen auch über einen längeren Zeitraum als Katalysator aktiv. «Wir konnten erstmals zeigen, dass die Methanisierung mit einem Eisen-Katalysator auch nahezu vollständig abläuft», bringt Mizuno das Hauptergebnis ihrer Studie auf den Punkt. Der Prozess erfordert einen Druck von 15 bar und eine Temperatur von 400 °C (gegenüber 1 bar und 300 °C im Falle des Nickel-Katalysators). Dank der Prozessvariation kann die OST-Forscherin Nickel durch das deutlich günstigere Eisen ersetzen. Das hierbei entstehende Methan besitzt direkt – also ohne nachgeschaltete, teure Aufreinigung – die für die Netzeinspeisung erforderliche Qualität.