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Fachartikel
30. August 2018

Erneuerbare Gase

Treibstoff aus Abgasen

Bereits heute könnten 43% des Strassenverkehrs mit synthetischem Erdgas betrieben werden – und dies alleine mit der Umwandlung des CO2-Ausstosses der Zementwerke und der Kehrichtverbrennungsanlagen. Zu diesem Ergebnis kommt ein im Rahmen des Nationalen Forschungsprogrammes «Energiewende» (NFP 70) durchgeführtes Projekt der HSR Hochschule für Technik Rapperswil.
Zoe Stadler, Boris Meier, Fabian Ruoss, Markus Friedl, 

EINLEITUNG

Im April 2017 formulierte das Bundesamt für Umwelt konkrete Emissionsreduktionsziele für 2020. Während im Gebäudebereich die Abnahme der Treibhausgasemissionen nach Plan verläuft (geplant ist eine Reduktion um 40% bis 2020, eine Abnahme von 26% wurde bereits bis 2015 erreicht), gehen die Emissionen aus dem Verkehr in die andere Richtung. Gegenüber 1990 sollen dort die Treibhausgase bis 2020 um 10% abnehmen, allerdings wurde im Zeitraum bis 2015 eine Zunahme von 4% verzeichnet. Hier besteht Handlungsbedarf. Im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms «Energiewende» (NFP 70) des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) hat ein Forscherteam der Hochschule für Technik Rapperswil die Möglichkeiten eines Beitrags durch den Einsatz von synthetischem Erdgas untersucht. Ebenfalls am Projekt beteiligt waren die EPFL, die St. Galler Stadtwerke, die Universität St. Gallen und die ZHAW.

DAS PROJEKT «RMTM»

Das 2014 gestartete Projekt Renewable Methane for Transport and Mobility, kurz RMTM, wurde im Frühling dieses Jahres abgeschlossen (erste Ergebnisse erschienen bereits in A & G 9/16 [1]). Im Rahmen des Projekts wurden die Kohlenstoffflüsse in der Schweiz untersucht und damit mögliche Kohlenstoffquellen für Power-to-Gas-Anlagen eruiert. Ziel war, das Potenzial von erneuerbarem Methan als Ersatz für fossilen Treibstoff im Strassenverkehr zu untersuchen. Zusammen mit der Reduktion des motorisierten Individualverkehrs und der teilweisen Umstellung auf E-Mobilität kann dieses einen wertvollen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten.

Durch den vermehrten Einsatz von erneuerbaren Elektrizitätsquellen nehmen Fluktuationen im Stromnetz stetig zu. Die Power-to-Gas-Technologie vermag diese auszugleichen und ist zusätzlich CO2-arm. Durch seine Flexibilität ist der Prozess insbesondere dafür geeignet, den Überschussstrom von den erneuerbaren Energiequellen im Sommer in speicherbares Methan umzuwandeln.

ERNEUERBARES METHAN

Drei Dinge braucht es, um aus Abgasen einen für den Strassenverkehr nutzbaren Treibstoff herzustellen: CO2, Wasser und Elektrizität. Dabei gilt die Regel, dass je höher die Konzentration von CO2 in der Luft ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Anlage, die CO2 extrahiert. Die Umgebungsluft bietet eine nahezu unbeschränkte Quelle für CO2, jedoch weist sie mit einem Volumenanteil von 400 ppm eine schwache Konzentration auf und stellt somit nicht die sinnvollste Quelle dar. Interessant wird es, wenn die Abgase von Kehrichtverbrennungs-, Abwasserreinigungs- und Biogasanlagen sowie Zementwerken betrachtet werden.

Es konnte aufgezeigt werden, dass 15% des gesamten CO2-Ausstosses der Schweiz von nur 35 Anlagen stammen. Es handelt sich dabei um sechs Zementwerke und 29 Kehrichtverbrennungsanlagen. Mit einem Volumenanteil von über 10% in den Abgasen ist es effizient, das Kohlendioxid von diesen Quellen zu beziehen.

Anlagenart Anzahl Anlagen Ausstoss Kohlendioxid   Volumenanteil
von CO2
Zementwerke 6 3,29 Mio. t/a 14–35%
Kehrichtverbrennung 29 4,25 Mio. t/a ~10%
Biogas ~145 0,07 Mio. t/a 25–55%
Abwasseraufbereitung ~900 0,07 Mio. t/a ~33%

Konzentrierte CO2-Quellen in der Schweiz [3]

Eine weitere wichtige Zutat für den erneuerbaren Treibstoff ist Wasser. Wenn der gesamte Strassenverkehr mit synthetischem Methan versorgt werden sollte, braucht es eine Wassermenge, die 2% der Menge des schweizweiten Trinkwasserbedarfs entspricht. Wasser stellt somit keine einschränkende Quelle zur Produktion von erneuerbarem Methan dar.

Der limitierende Faktor ist die elektrische Energie. Versorgt man den gesamten Strassenverkehr mit synthetischem Methan, steigt der Stromverbrauch zusätzlich um das Dreifache des heutigen Verbrauchs der Schweiz an. Dies nur mit CO2-armen Elektrizitätsquellen zu erreichen, ist unrealistisch. Ersichtlich wird dies an einem konkreten Beispiel: Für eine durchschnittliche Reisedistanz von 12 000 km pro Jahr benötigt ein Personenwagen rund 12 000 kWh elektrische Energie jährlich für die Methanherstellung. Dies entspricht einer Photovoltaikfläche von 90 m2. Es ist wichtig, dass die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen stammt, ansonsten fällt der CO2-Ausstoss einfach bei der Stromproduktion an. Um den Verkehr von fossilen Energien loszukoppeln, wird eine Kompromisslösung zwischen der E-Mobilität und dem Antrieb mit erneuerbarem Methan vorgeschlagen.

WIE WIRD AUS CO2 NUTZBARES METHAN?

Nach der Gewinnung des Kohlendioxids kann dieses in Methan umgewandelt werden. Dazu wird als Erstes Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten (Power-to-Hydrogen). Dieser Prozess ist elementar, da die Effizienz einer Power-to-Gas-Anlage hauptsächlich von derjenigen des Elektrolyseurs abhängt. Dazu kommt, dass dieser für 50% der Investitionskosten verantwortlich ist und somit einen grossen Einfluss auf den Preis des produzierten Wasserstoffs hat. Wenn die Power-to-Gas-Technologie erfolgreich sein soll, ist ein hocheffizienter und kostengünstiger Elektrolyseur unabdingbar. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Liste der momentan verfügbaren Elektrolyse-Technologien zusammengestellt. Trotz einer grossen Entwicklung in den letzten Jahrzehnten ist der Alkali-Elektrolyseur immer noch der effizienteste. Bei der genaueren Betrachtung seiner Effizienz1 und des Einflusses der Temperatur konnte festgestellt werden, dass bei Temperaturen zwischen 65 und 220 °C die Effizienz bis zu 3,5 Prozentpunkten variiert (80% bei 65 °C und 83,5% bei 220 °C).

Sobald der Wasserstoff vom Sauerstoff abgespalten ist, wird dieser mit dem Kohlendioxid zu Methan umgewandelt. Dabei können verschiedene Methanisierungsformen angewandt werden. Die katalytische Methanisierung ist schon länger auf dem Markt etabliert. In letzter Zeit wird jedoch intensiv auch im Bereich der biologischen Methanisierung geforscht. Bei diesem Verfahren wird Methan mithilfe von Mikroorganismen gebildet. Es wird dabei zwischen dem In-situ- und Ex-situ-Verfahren unterschieden – je nachdem, wo der Prozess stattfindet. Wie der Name schon darauf hinweist, erfolgt beim Ex-situ-Verfahren die Methanisierung in einer separaten Anlage, beim In-situ-Verfahren dagegen wird der Wasserstoff direkt in das Gärmaterial eines Fermentationsprozesses gegeben. Die Methanisierung erfolgt dabei direkt im durchgasten Fermentermaterial, das Gas muss jedoch je nach Reinheit vor der Einspeisung ins Gasnetz noch aufgereinigt werden. J. Krautwald und U. Baier haben das Verfahren in A & G 7-8/16 detailliert beschrieben [4].

Der gesamte Prozess von Elektrolyse und Methanisierung wird als «Power-to-Methane» bezeichnet. Eine solche Anlage liegt idealerweise zwischen dem Elektrizitätsnetz und dem Gasnetz. Beim Power-to-Gas wird dabei die Energie vom Stromnetz in das Gasnetz transferiert.

GESPEICHERTE ENERGIE

Da eine Power-to-Gas-Anlage sehr dynamisch betrieben werden kann, eignet sie sich insbesondere, um überschüssige Energie von Photovoltaik- und Windkraftwerken zu nutzen. Die Möglichkeit der Umkehrung des Energieflusses (bei welcher aus dem Gas wieder Strom entsteht) führt dazu, dass das Gas in der Zwischenzeit eine Speicherfunktion erfüllt. Der grosse Vorteil von der Power-to-Gas-Technologie ist, dass sie das Elektrizitätsnetz entlastet. Es wandelt die fluktuierende elektrische Energie in eine gut speicherbare Energieform um. Um eine grössere Menge an Gas speichern zu können, braucht es jedoch eine Erweiterung der entsprechenden Infrastruktur. Das jetzige Gasnetz in der Schweiz ist zwar schon gut ausgebaut mit einer Gesamtlänge von 19 000 km. Es ist an jedem der 35 vorgängig genannten Anlagen vorhanden und somit wäre die Einspeisung von erneuerbarem Methan von diesen Anlagen kein Problem. Im Rahmen des Projektes wurde eine Karte der Schweiz mit den verschiedenen Anlagen und dem Gasnetz erstellt und kann unter [5] aufgerufen werden. Um die Kapazität weiter zu vergrössern, können sowohl weitere Gebiete an das Gasnetzwerk angeschlossen als auch die Gasspeicher erweitert werden (momentan ist die Speicherkapazität in der Schweiz auf 80 GWh beschränkt, doch hat die Schweiz einen Anteil im Untergrundspeicher in Etrez im französischen Jura mit einer Kapazität von 1,51 TWh).

EINSATZ IN DER MOBILITÄT

Im Gegensatz zu Ländern wie Brasilien ist der Anteil an gasbetriebenen Fahrzeugen in der Schweiz sehr klein. Obwohl das Gasnetz und die Gasheizungen zum Standard gehören, hat ein grosser Teil der Bevölkerung starke Bedenken bezüglich Gastankstellen und gasbetriebener Mobilität. Dies ging aus einer Umfrage bei der Testanlage des Instituts hervor. Gute Informationspolitik ist hier notwendig. Der Umstieg auf erneuerbare Treibstoffe bietet grosse Chancen für einerseits eine energetische Unabhängigkeit der Schweiz und andererseits für die Verminderung von klimaschädlichen Emissionen. Allerdings darf durch die Förderung von erneuerbaren Treibstoffen keinesfalls darauf verzichtet werden, ein umweltfreundliches Mobilitätsverhalten zu fördern. Denn auch falls der gesamte Verkehr praktisch ohne fossile Treibstoffe auskommt, bleibt der ökologische Fussabdruck des Individualverkehrs ungleich höher als derjenige des öffentlichen Verkehrs. Deshalb wird im Rahmen der Studie keine Subvention für das Biogas vorgeschlagen, sondern Lenkungsabgaben auf fossilen Treibstoffen. Dies entspricht auch dem Prinzip des Verursacherprinzips, bei welchem die Umweltfolgekosten (also die «Entsorgung») bereits im Produktpreis integriert werden.

Die Haupteinflussfaktoren für die Produktionskosten von synthetischem Methan sind die Kosten der elektrischen Energie sowie des Elektrolyseurs. Unter optimalen Bedingungen sind Produktionskosten von 12 Rp./kWh möglich, im Worst-Case-Szenario liegt der Preis jedoch im Bereich von 30 Rp./kWh. Optimale Bedingungen sind dabei die Befreiung von der Benutzungsgebühr des Elektrizitätsnetzes, ein Strompreis unter 3,5 Rp./kWh sowie ein Elektrolyseur mit einer Leistung von mindestens 5 MW. Die Preisdifferenz zwischen erneuerbarem Methan und fossilen Treibstoffen kann hauptsächlich durch regulatorische Massnahmen verändert werden, zum Beispiel durch die Erlassung der Benutzungsgebühren des Elektrizitätsnetzes oder durch eine Lenkungsabgabe auf fossile Energieträger. Damit ist die zukünftige Entwicklung des Einsatzes von synthetischem Methan direkt abhängig von politischen Vorgaben und weniger von technischen Möglichkeiten. Dass es möglich ist, in kurzer Zeit in der Schweiz eine neue Technologie bei Personenfahrzeugen zu etablieren, zeigt die Entwicklung der Dieselfahrzeuge. Während deren Anteil im Jahr 2000 noch bei rund 4% lag, sind sie heute mit einem Anteil von 28,5% bereits weitverbreitet [6].

MÖGLICHES SZENARIO

Der grosse Vorteil von synthetischem Methan ist die Fähigkeit, grosse Mengen an Energie speichern zu können. Power-to-Gas-Anlagen erlauben es, kurzfristig auf Schwankungen in der Stromproduktion zu reagieren und damit überflüssige Energie von Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu nutzen. Da diese Energie sonst ungenutzt bleiben würde, ergibt es Sinn, diese zu einem speicherbaren Energieträger umzuwandeln. In dem vorliegenden Projekt wurde mithilfe eines Simulationstools die zukünftige schweizerische Stromproduktion modelliert, um die Fluktuationen und die Menge an Überschussstrom feststellen zu können. Dieser wird für die Herstellung von synthetischem Methan verwendet. Verschiedene Szenarien konnten damit untersucht werden. Speziell untersucht wurde das Szenario ohne Atomkraftwerke, bei dem stattdessen Photovoltaikanlagen 20 TWh/a und Windturbinen 4 TWh/a produzieren. Es wird von einer nationalen Selbstversorgung ausgegangen, Energie wird weder im- noch exportiert. Dies ergibt eine Überschussenergie von 146 TWh/a für Power-to-Gas-Prozesse und damit Treibstoff für 10% des Strassenverkehrs. Bei Nutzung des Kohlendioxids aus den Abgasen von Zementwerken und Kehrichtverbrennungsanlagen könnte jedoch Treibstoff für 43% des Strassenverkehrs hergestellt werden [3]. Allein von diesen 35 Hauptemittern steht also viermal mehr Kohlendioxid zur Verfügung (in konzentrierter Form) als aufgrund von mangelndem Stromüberfluss umgewandelt werden kann.

Die Menge an erneuerbarem Methan für den zukünftigen Einsatz ist praktisch ausschliesslich von der Verfügbarkeit von (Überschuss-)Strom abhängig. Sollte der gesamte Strassenverkehr durch erneuerbare Treibstoffe abgedeckt werden, wäre der Bedarf an elektrischer Energie dreimal so hoch wie der heutige Strombedarf der Schweiz. Deshalb wird eine Kompromisslösung zwischen elektrisch und mit erneuerbarem Methan betriebenen Fahrzeugen empfohlen. Wenn 80% des Strassenverkehrs elektrisch und 20% mit erneuerbarem Methan betrieben werden, braucht es gesamthaft rund 40 TWh elektrische Energie pro Jahr. Dies erhöht den jährlichen Schweizer Stromverbrauch um 67%. Dafür werden durch die Power-to-Gas-Anlagen die Fluktuationen im Stromnetz abgefangen. Mit dieser Lösung können die jährlichen Kohlendioxid-Emissionen des Strassenverkehrs von momentan 16,2 auf 3,9 Mio. Tonnen gesenkt werden (gerechnet mit dem CO2-Ausstoss des Schweizer Strommixes von 100 g CO2/kWh).

Aus der Perspektive dieses Projektes kann gesagt werden, dass es keine Grenze nach oben gibt vom Einsatz erneuerbarer Stromquellen, da jeder Überschuss (und damit die Fluktuationen) durch Power-to-Gas-Anlagen abgefangen werden kann.

In Zukunft ist es durchaus realistisch – und aus klimapolitischer Sicht sinnvoll –, dass ein Teil des ausgestossenen Kohlendioxids zur Wiederverwendung rückgewonnen wird. Durch den Einsatz von synthetischem Methan kann der Bedarf an anderen Energieträgern reduziert werden. Die Gesamtmenge an CO2, welche durch Verbrennung entsteht, wird durch diese Massnahme nicht reduziert, dafür aber die Menge, welche in die Atmosphäre gelangt.

Bibliographie

[1] Meier, B.; Ruoss, F.; Friedl, M. (2016): CO2 als Rohstoff für Treibstoffe. Aqua & Gas, Heft N°9, 2016, S. 58–60

[2] Friedl, M.; Meier, B.; Ruoss, F.; Schmidlin, L. (2018): Thermodynamik von Power-to-Gas. Kann von https://www.iet.hsr.ch/index.php?id=17481&L=3 heruntergeladen werden (aufgerufen am 22. Juni 2018)

[3] Meier, B.; Ruoss, F.; Friedl, M. (2017): Investigation of Carbon Flows in Switzerland with the Special Consideration of Carbon Dioxide as a Feedstock for Sustainable Energy Carriers. Energy Technology, 2017, 5, S. 864–876

[4] Krautwald, J.; Baier, U. (2016): Biologische Methanisierung: Methanogenese als mikrobiologische Alternative zur katalytischen Methanisierung. Aqua & Gas, Heft N°7/8, 2016, S. 18–23

[5] Power-to-Gas-Übersicht Schweiz. https://www.iet.hsr.ch/index.php?id=13427&L=3 (aufgerufen am 22. Juni 2018)

[6] Eidgenössisches Departement des Innern EDI, Bundesamt für Statistik BFS (2017): Mobilität und Verkehr. Taschenstatistik 2017. Neuchâtel

BEGRIFFLICHKEITEN

Power-to-Gas ist eine Technologie, mit der aus Strom Gas (Wasserstoff oder Methan/Erdgas) erzeugt wird. Beide Gase können als Treibstoff in der Mobilität, als Brennstoff für Heizung oder zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden. Bei der Erzeugung von Wasserstoff spricht man von Power-to-Hydrogen. In diesem Prozess wird Wasser mithilfe von Elektrizität in Sauer- und Wasserstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann nun direkt als Treibstoff verwendet oder durch Beimischung von Kohlendioxid in Methan umgewandelt (Power-to-Methane) werden.

Danksagung

Das Projekt wurde unterstützt vom Schweizerischen Nationalfonds.

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