Methanisierung und Power-to-Gas mit biogenem CO₂: katalytische und biologische Methode

Die Methanisierung (Power-to-Methane) ist ein Prozess, bei dem sich Wasserstoff aus der Elektrolyse mit Kohlendioxid zu Methan verbindet: CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O. Bei einer Biomethananlage ist die natürliche CO₂-Quelle der Abfallstrom aus der Biogasaufbereitung, sodass er, statt in die Atmosphäre abgegeben zu werden, zur Erzeugung von zusätzlichem Methan genutzt werden kann. Der Prozess kann katalytisch (Sabatier-Verfahren) oder biologisch unter Beteiligung von Archaeen ablaufen. Der gesamte energetische Wirkungsgrad vom Strom zum Methan liegt orientierend im Bereich von etwa 45–55%, weil die größten Verluste in der Elektrolyse entstehen.

Katalytische Methode (Sabatier)

Die Reaktion ist exotherm (ΔH ≈ −165 kJ/mol CH₄) und wird in der Regel bei einer Temperatur von ca. 250–400°C, unter einem Druck von Atmosphärendruck bis zu mehr als zehn bar, an einem Nickelkatalysator durchgeführt. Vorteile: hohe Geschwindigkeit, Kompaktheit, Möglichkeit zur Nutzung der Reaktionswärme. Nachteile: Empfindlichkeit des Katalysators gegenüber Schwefel, Notwendigkeit der CO₂-Reinigung, komplexere Steuerung bei schwankender Wasserstoffzufuhr (z. B. aus erneuerbaren Energien).

Biologische Methode

Methanogene Archaeen (z. B. Methanothermobacter) wandeln H₂ und CO₂ bei einer Temperatur von ca. 55–65°C in einem Reaktor mit Flüssigkeit oder im Fermenter in CH₄ um. Vorteile: Toleranz gegenüber Verunreinigungen (einschließlich Schwefelwasserstoff), Flexibilität bei schwankender Wasserstoffzufuhr, niedrigere Drücke. Nachteile: Einschränkungen beim Stofftransfer vom Gas in die Flüssigkeit, größere Reaktorvolumina, niedrigere Temperaturen der Abwärme.

Massen- und Energiebilanz

Für 1 m³ CH₄ werden 1 m³ CO₂ und 4 m³ H₂ benötigt. Wasserstoff hat einen Heizwert von ca. 3,0 kWh/m³ (0,0899 kg/m³ × 33,3 kWh/kg), also entsprechen 4 m³ H₂ ca. 12 kWh. Aus 1 m³ CH₄ gewinnen wir ca. 9,97 kWh. Der Wirkungsgrad der Methanisierung allein (Energie des Methans / Energie des Wasserstoffs) beträgt also ca. 83%, der Rest ist Reaktionswärme. Die Elektrolyse verbraucht ca. 52 kWh/kg H₂: für 0,36 kg H₂ (4 m³) sind das ca. 18,7 kWh elektrische Energie. Wirkungsgrad vom Strom zum Methan: 9,97/18,7 ≈ 53%, ohne Berücksichtigung der Energie für Verdichtung und Hilfseinrichtungen. Die Wärme der Reaktion und der Elektrolyse erhöht, falls genutzt, den Gesamtwirkungsgrad.

Beispiel: Biomethananlage mit Methanisierung

Annahmen: Die Biomethananlage verarbeitet 500 m³/h Biogas mit 55% CH₄ und 45% CO₂. Das Offgas enthält ca. 225 m³/h CO₂. Bei vollständiger Nutzung des CO₂ mit zusätzlichem Wasserstoff ist die Erzeugung von 225 m³/h zusätzlichem CH₄ möglich, also praktisch eine Verdoppelung der Produktion (275 + 225 = 500 m³/h CH₄). Das erfordert 900 m³/h Wasserstoff und ca. 4,2 MW Elektrolyseleistung (900 m³/h × 0,0899 kg/m³ ≈ 81 kg/h × 52 kWh/kg ≈ 4,2 MW). Bei einem Strompreis von 400 PLN/MWh betragen die Energiekosten je m³ CH₄ ca. 18,7 kWh × 0,4 PLN/kWh ≈ 7,5 PLN/m³ – ein Mehrfaches der Kosten von Biomethan aus der Vergärung. Das veranschaulicht, warum die Methanisierung sehr günstigen Strom oder einen Mehrwert erfordert (z. B. Speicherung von Überschüssen aus erneuerbaren Energien, RFNBO-Vorgabe).

Anwendungen

1. Energiespeicherung: Stromüberschüsse werden im Gasnetz in Methan umgewandelt.
2. E-Methan als erneuerbarer Kraftstoff (RFNBO), wenn der Strom die Anforderungen erfüllt.
3. Steigerung der Biomethanproduktion in der Biogasanlage durch Nutzung des CO₂.
4. Dekarbonisierung der Industrie, in der Wasserstoff schwieriger einzusetzen ist als Methan.

Demonstrationsanlagen

In Werlte in Deutschland nahm Audi 2013 eine e-gas-Anlage mit einer elektrischen Leistung von ca. 6 MW in Betrieb, die CO₂ aus einer Biogasanlage nutzt. In Avedøre in Dänemark ist die BioCat-Anlage mit biologischer Methanisierung mit einer Leistung in der Größenordnung von 1 MW in Betrieb. Dies sind Pilot- und Demonstrationsprojekte; der kommerzielle Maßstab bleibt durch die Kosten begrenzt.

Regulatorische Bedingungen

Damit E-Methan als RFNBO anerkannt wird, muss der Strom für die Elektrolyse die Anforderungen der Zusätzlichkeit sowie der zeitlichen und geografischen Korrelation erfüllen; das CO₂ sollte aus den in den Vorschriften zugelassenen Quellen stammen (einschließlich biogener). Die Vorschriften sehen Übergangsfristen und detaillierte Regeln vor, die in den aktuellen Rechtsakten nachzulesen sind. Stammt der Strom aus Biogas, kann der Status ein anderer sein.

Zusammenfassung

Die Methanisierung erlaubt es, das CO₂ aus Biogasanlagen zu verwerten und die Sektoren Strom und Gas zu koppeln, die Wirtschaftlichkeit hängt jedoch vom Strompreis und von den regulatorischen Anforderungen ab. In den nächsten Jahren ist es eine Demonstrations- und Nischentechnologie.