Power-to-Methane mit Sabatier: Der energiesparende Weg zur CO2-Nutzung

In der Öffentlichkeit sind vor allem Kohle-, Atom- und Windkraftwerke sowie Solarstrom bekannt. Die Bedeutung von Biogas-Anlagen für die Energieversorgung ist erheblich weniger Menschen bewusst und die Eigenversorgung von Klärwerken – obwohl schon seit vielen Jahrzehnten betrieben – kein Thema. Durch das hier vorgestellte Verfahren können jedoch gerade diese Bereiche einen größeren Beitrag zur klimaneutralen Energiegewinnung erzielen. (bereits realisierte Lösung: siehe Beispiel ganz unten)

Das Sabatier-Verfahren ist ein Schlüsselmechanismus der Energiewende, da er die effiziente Umwandlung von CO2 und H2 in das wertvolle, speicherbare Gas Methan (CH4) ermöglicht. Dies ist besonders relevant für Biogasanlagen (Biogas) und Kläranlagen (Faulgas), die neben dem erwünschten Methan konzentriertes CO2 als „Abfallprodukt“ produzieren. Bislang wird dieses CO2 überwiegend nur abgetrennt, um hochwertiges Methan in das Erdgasnetz (>96 % Methan) einzuspeisen.

Der Sabatier-Prozess: Die CO2 -Hydrierung

Der nach dem Chemiker Paul Sabatier benannte Prozess ist eine katalytische Methanisierung. Er nutzt eine exotherme chemische Reaktion, um Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) bei erhöhter Temperatur (typischerweise 300°C bis 400°C in Methan (CH4) und Wasser (H2O) umzuwandeln. Das CO2 wird dabei in Anwesenheit eines Katalysators (meist Nickel oder Ruthenium) durch H2 hydriert.

Reaktionsgleichung: CO2 + 4H2 ----(Katalysator)--->  CH4 + 2H2O

Das entstehende Methan dient als Energieträger oder Rohstoff (Chemische Industrie) und kann vor allem direkt in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Die freigesetzte Abwärme erhöht zudem die Gesamteffizienz des Prozesses, wenn man sie in einer Kraft-Wärme-Kopplung weiter nutzt.

Sabatier im Kontext von Power-to-Gas (PtG)

Das Sabatier-Verfahren ist die wichtigste Reaktion im PtG-Konzept, das zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer elektrischer Energie dient.

• Power-to-Hydrogen (P2H): Zuerst wird überschüssiger Strom per Wasserelektrolyse in Wasserstoff H2 umgewandelt.
• Sabatier-Methanisierung (P2G): Anschließend wird dieser H2 mit CO2 zu Methan umgesetzt.
• Vorteil gegenüber P2H: Während reiner H2 nur begrenzt in das Erdgasnetz eingespeist werden kann, ist das durch Sabatier erzeugte Methan der Hauptbestandteil von Erdgas und kann unbegrenzt ins Netz eingespeist und dort über lange Zeit gespeichert werden. Speicherung, Transport und Verwendung von Methan ist ein jahrzehntelang bekannter Prozess und deutlich weniger anspruchsvoll gegenüber reinem Wasserstoff.
• Vergleich mit Biologischer Methanisierung: Der Bio-Sabatier-Prozess (biologische Methanisierung) nutzt spezielle Mikroorganismen (Archaeen), um CO2 und H2 bei niedrigeren Temperaturen 37°C bis 70°C zu Methan umzuwandeln. Die chemisch-katalytische Sabatier-Methanisierung bietet jedoch eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und eine einfachere Prozesssteuerung.

Das Forschungsprojekt "Klaeffizienter"

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Projekt "Klaeffizienter" (Optimierung der katalytischen Direktmethanisierung auf Kläranlagen) hat das Ziel, den Sabatier-Prozess direkt in Kläranlagen zu optimieren. Dies ist von zentraler Bedeutung für den Betrieb von Kläranlagen, da sie bei der Erzeugung von Klärgas neben Methan auch erhebliche Mengen CO2 freisetzen.

Die Integration einer Methanisierungseinheit, welche den Sabatier-Prozess nutzt, führt zu entscheidenden Verbesserungen: Erstens wird die Biomethanproduktion erhöht, indem das im Klärgas vorhandene CO2 nicht als Abfallprodukt angesehen, sondern mithilfe von extern zugeführtem Wasserstoff H2, der aus erneuerbarem Strom stammt, in zusätzliches, hochwertiges Biomethan umgewandelt wird. Zweitens unterstützt die effizientere Nutzung des Klärgases und die Verwertung des CO2 die Kläranlagen auf dem Weg zur Energieneutralität, indem sie ihren eigenen Energiebedarf decken und sogar Überschussenergie bereitstellen können. Drittens wird die Kläranlage zu einem aktiven Bestandteil der Sektorkopplung, da sie überschüssigen erneuerbaren Strom (als H2) in speicherbares Biomethan umwandelt und somit zur Entlastung und Flexibilisierung des Gasnetzes beiträgt.

Die Erkenntnisse aus "Klaeffizienter" sind jedoch direkt auf Biogasanlagen übertragbar, deren Rohbiogas ebenfalls einen hohen CO2-Anteil von bis zu etwa 45% aufweist. Ein wesentlicher Vorteil ist die Vermeidung der CO2-Abtrennung: Anstatt das CO2 mit hohem Energieaufwand abzutrennen, um ausreichend reines Biomethan in Erdgasqualität zu erhalten, dient es direkt als Ausgangsstoff (Edukt) für die Methanisierung (Biomethan und Kohlendioxyd können zusammen dem katalytischen Sabatierprozess zugeführt werden und müssen nicht vorher getrennt werden). Dies ermöglicht eine vollständige Veredelung des Gases, da sowohl die chemische (klassische Sabatier) als auch die biologische Methanisierung das gesamte CO2 in Methan umwandeln. Letztlich führt dies zu einer signifikanten Steigerung der Effizienz der gesamten Anlage, weil der gesamte Kohlenstoffgehalt des Rohbiogases in den wertvollen Energieträger CH4 überführt wird. Dadurch werden Biogasanlagen zu flexiblen und wertvollen Erzeugern von grünem Biomethan in Erdgasqualität aufgewertet.

Vorteile für Kläranlagen und Biogasanlagen

Die Integration einer Sabatier-Stufe in Biogasanlagen hat einen weiteren Vorteil, da sie diese von reinen Energieerzeugern zu flexiblen Energiespeichern aufwertet. Die Idee dahinter: Durch mit grünem Strom betriebene Elektrolyse wird Wasserstoff (H2) gewonnen und dann durch die Methanisierung speicherbar gemacht – so können auch große Mengen regenerativ gewonnen Stroms in chemische Energie umgewandelt und z.B. im Erdgasnetz gespeichert werden.

Die Nutzung von CO2 aus dem Biogas der eigenen Anlage bietet vor allem auch gegenüber der CO2-Entnahme aus der Atmosphäre (Direct Air Capture, DAC) mit nur 0,04% CO2-Gehalt oder dem Transport von CO2 aus industriellen Quellen logistische und energetische Vorteile. Die Nutzung des biogenen CO2 in Verbindung mit grünem Wasserstoff (aus regenerativem Strom) schließt zudem einen CO2-Kreislauf. Das resultierende Biomethan ist klimaneutral, da bei seiner Verbrennung nur die Menge an CO2 freigesetzt wird, die die Pflanzen zuvor der Atmosphäre entzogen hatten. Die Sabatier-Stufe macht Biogasanlagen somit zu effektiven und CO2-neutralen Energieerzeugern.

Anmerkung: Methan-Gas kann natürlich auch als Ausgangsstoff für höher veredelte Produkte wie Methanol, Ammoniak oder Ethylen eingesetzt werden. Mit Grünstrom und CO2 aus Biogasanlagen wären diese Produkte deutlich klimaneutraler als jene, die bislang aus Erdöl oder Erdgas hergestellt werden.

Hindernisse und Hürden bei der Umsetzung

Bislang ist der in sich sehr vorteilhafte Veredelungsschritt des CO2 zu CH4 noch nicht wirtschaftlich, da er nur Sinn macht, wenn man regenerativ gewonnenen Wasserstoff für die Veredelung nutzt. Dieser grüne Wasserstoff ist derzeit noch zu teuer und nur begrenzt verfügbar.

Eine weitere Herausforderung ist, die Katalysatoren im Sabatier-Prozess vor Katalysatorgiften zu schützen (Schwefelwasserstoffe, Siloxane). Diese Vorreinigung zu optimieren ist Teil des „Klaeffizienter“-Forschungsprojektes.

Weitere Hürden sind die Anforderung nach einem weitgehend kontinuierlichen Prozess (optimale Bedingung für den katalytischen Sabatier-Prozess), regulatorische Rahmenbedingungen und langfristige, verlässliche Einspeisevergütungen.

Obwohl der Sabatier-Prozess prinzipiell eine optimale Nutzung der bei der Vergärung von biogenen Abfällen entstehenden Gase darstellt, sind bis zur industriellen Anwendungen noch etliche Entwicklungsschritte zu bewältigen. Mehrere städtische Klärwerke beteiligen sich an dem Forschungsprojekt „Klaeffizienter“, um zukünftig diese wertvolle CO2-Quelle besser nutzen zu können und einen Beitrag zu Speicherung überschüssigen regenerativen Stroms zu leisten. Link zum Projekt: https://energetische-biomassenutzung.de/de/projekte/03EI5477

Power-to-Gas-Anlage von Nature Energy und Andel in Dänemark eröffnet

Das globale Biogasunternehmen Nature Energy und das Energie- und Vertriebsunternehmen Andel haben am 6. November 2023 in Glansager auf der dänischen Insel Als eine neue Power-to-X-Anlage (u.a. drei 3,1 MW Elektrolyseure für H2 Herstellung) eingeweiht. Der dänische Minister für Industrie, Wirtschaft und Finanzen, Morten Bødskov, sprach von einem „Stück Weltgeschichte“.

Bei der Anlage handelt es sich um die weltweit erste kommerzielle Anlage, die die Biogasproduktion durch Elektrolyse (H2) und biologische Methanisierung steigert. Die beiden Partner investierten im Rahmen einer im Herbst 2022 geschlossenen Partnerschaft 100 Millionen DKK (ca. 13,4 Millionen Euro) in die Anlage, deren Bau nur ein Jahr dauerte.