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Hochtemperatur-Elektrolyse macht es möglich

Wirtschaftlicher Power-to-Gas-Prozess mit 85 Prozent Wirkungsgrad

22. April 2014, 13:39 Uhr | Heinz Arnold

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Methanisierung: Vorteile und Herausforderungen

Brennstoffzellen für Autos lassen sich direkt mit Wasserstoff betreiben, Turbinen lassen sich damit betreiben und außerdem kann Wasserstoff ins vorhandene Erdgasnetz gespeist werden. Warum ist der Methanisierungsprozess überhaupt noch erforderlich?

Theoretisch darf dem deutschen Erdgasnetz ein Anteil von bis zu 10 Prozent Wasserstoff beigemischt werden. Allerdings darf der Wasserstoffanteil nicht über 2 Prozent liegen, wenn das Erdgas in Erdgasfahrzeugen genutzt werden soll und darüber hinaus gibt es viele Anwendungen, die mit einem höheren Wasserstoffanteil als 2 Prozent erhebliche Schwierigkeiten hätten, bzw. Anpassungsmaßnahmen notwendig wären. Die Aufnahme im Erdgasnetz ist also zurzeit eingeschränkt und würde bei einem massiven Ausbau der Power-to-Gas-Technologie auf Grenzen stoßen. Mit Methan fällt diese Beschränkung völlig weg – und mit unserer Methode obendrein noch so, dass dies nicht auf Kosten des Wirkungsgrades geht.

Wie läuft die Methanisierung genau ab, gibt es noch Verbesserungsmöglichkeiten und wo liegen die Herausforderungen bei der Methanisierung?

Methanisierung wird am Engler-Bunte-Institut des KIT bereits seit den 1970/80er Jahren erforscht. Bei dem im Rahmen des HELMETH Projekts verwendeten Methanisierungsprozess kommt es darauf an, ein Erdgassubstitut (SNG), das mit den Regularien der Erdgasinfrastruktur konform ist, zu erzeugen. Dabei unterscheiden sich die zulässigen Konzentrationen von Wasserstoff im europäischen Raum stark. Daher werden durch den Projektpartner DVGW - Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. - die Randbedingungen für den europäischen Erdgasmarkt evaluiert und die Ergebnisse in der Spezifikation des Methanisierungsprozesses mit einbezogen. Darüber hinaus muss ausreichend Dampf für die Elektrolyse durch Kühlung der Methanisierungsreaktoren erzeugt werden, also eine thermische Kopplung von Methanisierung und Elektrolyse.

Wie sieht die thermische Kopplung der Prozesse genau aus?

Die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan geschieht mit Hilfe eines Katalysators bei etwa 300 °C. Es handelt sich um eine exotherme Reaktion, die Reaktionsenthalpie entspricht etwa der Verdampfungsenthalpie des Wassers, das für die Elektrolyse genutzt wird. Damit braucht man nicht mehr für die Verdampfung zu bezahlen, wenn die Prozesse gekoppelt sind.

Weshalb kommt es bei Power-to-Gas überhaupt auf einen hohen Wirkungsgrad an, wenn doch für Elektrolyse und Methanisierung Strom verwendet wird, den man „wegschmeißen“ müsste, wenn auf der Verbraucherseite gerade kein Bedarf herrscht?

Man muss für den Strom ja trotzdem bezahlen! Und die Geräte und ihr Betrieb kosten auch Geld. Wenn es uns gelingt, den Wirkungsgrad von heute 60 Prozent auf 85 Prozent zu steigern, dann ist Power-to-Methan wirtschaftlich deutlich sinnvoller.

Am PEM-Elektrolyseur arbeiten die Hersteller bereits eifrig, hier kann der Wirkungsgrad sicherlich auch noch verbessert werden. Betrachten sie die PEM-Elektrolyseure als Konkurrenz?

Die PEM-Elektrolyseure sind in der Entwicklung bereits recht weit, gegenüber den Hochtemperatur-Elektrolyseuren haben sie einen Vorsprung. Doch auch wenn der Wirkungsgrad sich noch etwas verbessern ließe, dann bleibt doch das grundsätzliche Problem, dass sich in der Niedertemperatur-Elektrolyse die Reaktionsenthalpie der Methanisierung nicht nutzen lässt und der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses deshalb nicht an den Wirkungsgrad herankommen kann, den wir anstreben.

Wann rechnen Sie damit, dass kommerzielle Hochtemperatur-Elektrolyseure auf den Markt kommen werden?

Es gibt kühne Geschäftspläne und es findet zurzeit ein internationaler Wettbewerb statt. Ich gehe davon aus, dass noch einige wenige Jahre vergehen werden, bis die Geräte auf den Markt kommen.