Promotionsbeispiel von Dr. Michael Schlüter

Optimierung der Methanausbeute in der heterogen katalysierten Methanisierung bei verminderten Temperaturen und Drücken durch gezielte Gleichgewichtsverschiebung

Die Nutzung von Biomasse macht (Stand 2016) nach der Windkraft und noch vor Solar- und Wasserkraft mit fast 25 % den zweitgrößten Anteil an der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland aus. Neben der direkten Erzeugung von Wärme dient Biomasse als Rohstoff für die Synthese fester, flüssiger und gasförmiger Sekundärenergieträger. Diese sind in der Lage, ihre fossilen Äquivalente zu ersetzen und zur Senkung der Emission von Treibhausgasen (THG) beizutragen [Kaltschmitt 2009]. Vor allem die Synthese eines biogenen Ersatzes für Erdgas aus fossilen Quellen, sogenannten Bio-SNGs (SNG – synthetic natural gas/synthetisches Erdgas), stellt dafür einen vielversprechenden Weg dar. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch eine Substitution fossilen Erdgases mit seinem biogenen Äquivalent unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Produktionsprozesse eine Reduktion der THG-Emissionen von über 80 % erreicht werden kann [EU 2009] [Pucker 2012] [Müller-Langer 2015]. Einen weiteren Vorteil der flächendeckenden Methansynthese aus Biomasse zur Produktion von Bio-SNG stellt die zunehmende Unabhängigkeit von Erdgasimporten durch die Nutzung regionaler Ressourcen dar [Rönsch 2011].

Vor dem Hintergrund der Energiewende erhält dieser Syntheseweg heutzutage wieder vermehrt Beachtung. Für den thermochemischen Weg zur Erzeugung künstlichen Erdgases kommen lignocellulosehaltige Biomassearten, insbesondere Holz und Stroh, zum Einsatz. Diese können aufgrund ihrer komplexen Zellstruktur nicht direkt auf biochemischem Weg mittels Vergärung in Biogas umgewandelt werden [Kaltschmitt 2009] [Müller-Langer 2015]. Zunächst durch läuft die Biomasse dabei einen oder mehrere Vorbehandlungsschritte (z. B. Zerkleinerung, Trocknung), welche vom eingesetzten Rohstoff abhängen. Anschließend wird sie thermochemisch mittels unterstöchiometrischer Zugabe eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels in Synthesegas umgewandelt [Kaltschmitt 2009]. Die anschließende Methanisierung ist die zentrale chemische Umwandlung innerhalb des Prozesses. Das gereinigte Synthesegas wird mit Hilfe eines Katalysators, welcher üblicherweise aus Nickel (Ni) auf einem Träger aus Aluminiumoxid (Al2O3) besteht, bei erhöhten Temperaturen und Drücken in ein methanreiches Gasgemisch überführt. Um Erdgasqualität zu erreichen und somit in das bestehende Erdgasnetz einspeisen zu können [DVGW 2013], muss das Roh-Produkt aus der Methanisierung noch aufbereitet werden. Dies geschieht z.B. durch Trocknen und die Abtrennung von Nebenprodukten oder auch die Beimischung weiterer Gase (z. B. Propan) zur Erhöhung des Brennwertes [Müller-Langer 2015].

Für den thermochemischen Prozess ergibt sich ein Gesamtenergiewirkungsgrad von bis zu 65 % [Kopyscinski 2010]. Der Schritt von der anwendungsorientierten Forschung zur flächendeckenden Produktion von Bio-SNG scheitert bisher jedoch an den zu hohen Kosten bzw. dem aktuell vergleichsweise niedrigen Preis für fossiles Erdgas (Stand: 2017). Während neuere Studien in Abhängigkeit vom verwendeten Rohstoff und der Größe der Produktionsanlage für SNG Preise von 6,25 bis 17,00 €ct kWh-1 ermitteln [Rönsch 2009] [Rönsch 2012] [Aranda 2014] [Rönsch 2014], lagen die Grenzübergangspreise für fossiles Erdgas Anfang 2017 in Deutschland mit 1,81 €ct kWh-1 [BAFA 2017] deutlich darunter. Aktuell existiert keine Anlage, die Bio-SNG im kommerziellen Maßstab produziert. Alles in allem hat die kommerzielle Produktion von Bio-SNG mit zahlreichen Problemen zu kämpfen. Um diese Synthese wirtschaftlich durchführen zu können, ist es somit unumgänglich, die ökonomische Konkurrenzfähigkeit des Bio-SNG zu erhöhen. Dafür müssen dessen Produktionskosten maßgeblich gesenkt werden.

Der Fokus der Untersuchungen lag auf der Methanisierung als zentraler Teilreaktion des SNG-Produktionsprozesses für die Umsetzung der gasförmigen Ausgangsstoffe aus der vorgelagerten Vergasung zum methanreichen Roh-Produkt. Herkömmliche Systeme zur Produktion von SNG oder Bio-SNG arbeiten im Bereich der Methanisierung bei Temperaturen, die teilweise deutlich oberhalb von 300 °C liegen und Drücken oberhalb von 20 bar [Kopyscinski 2010] [Rönsch 2016] [Schildhauer 2016]. Es ist davon auszugehen, dass die Investitions- und Betriebskosten der Methanisierung durch verminderte Prozessparameter (Temperatur und Druck) sinken. Da die Methanisierung selbst etwa 10–15 % der Investitionskosten einer Bio-SNG-Anlage ausmacht [Heyne 2014] [Rönsch 2014], würde eine Reduktion der Methanisierungskosten auch eine Kostenreduktion des Gesamtprozesses bewirken. Ziel der Forschungsarbeit war es, dass die Reaktion auch unter diesen reduzierten Bedingungen (Temperatur ≤ 300 °C, Druck ≤ 5 bar) mit einem kommerziellen Nickel-Katalysator maximale Methanausbeuten liefert.


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