Der grĂŒne Alkohol

Bildtitel: CRI-Methanol-Anlage - Geothermie-Kraftwerk in Island
Autor: Eva Augsten
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1. August 2023

Der grĂŒne Alkohol

Die Potentiale von Methanol

Methanol ist schon heute einer der wichtigsten Grundstoffe fĂŒr die Chemieindustrie und wird in den nĂ€chsten Jahrzehnten noch an Bedeutung gewinnen – fĂŒr Kunststoffe aller Art ebenso wie fĂŒr die Herstellung von E-Fuels. DafĂŒr sind große Mengen an grĂŒnem Wasserstoff und nachhaltig gewonnenem CO2 nötig.

Formaldehyd, EssigsĂ€ure, Silikon, Olefine: Diese Zwischenprodukte in der Chemieindustrie brauchen in aller Regel Methanol als Basischemikalie. Der 2021 vom Branchenverband Methanol-Institut und der International Renewable Energy Agency (Irena) veröffentlichte „Innovation Outlook Renewable Methanol“ bezifferte die weltweite Jahresproduktion des Grundstoffs mit 98 Mio. Tonnen. Tendenz: schnell steigend.

Treiber ist laut dem Bericht vor allem die chinesische Chemieindustrie. Obendrein treibt der vielseitige Alkohol immer öfter Fahrzeuge an Land und im Wasser an – mit speziellen Motoren, Brennstoffzellen oder umgewandelt zu E-Fuels.

Bis 2050 könnte die weltweite Produktion bei 500 Mio. Tonnen jĂ€hrlich liegen, schĂ€tzen Irena und das Methanol-Institute. Wenn diese wie bisher aus Gas und Kohle erzeugt werden, wĂŒrden die Klimagasemissionen aus der Methanolerzeugung von derzeit 0,3 Gt CO2-Äquivalent jĂ€hrlich auf 1,5 Gigatonnen steigen.

Ebenso wie die Stromerzeugung braucht also auch die Methanolerzeugung eine neue Basis. Laut einer Well-to-Wheel-Analyse wĂŒrde ein Umstieg auf grĂŒnes Methanol die Emissionen um 65 bis 95 Prozent senken. E-Methanol, also mithilfe von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff hergestelltes Methanol, schneidet dabei im Schnitt deutlich besser ab als das Biomethanol.

Methanol als Kraftstoff immer wichtiger

Der grĂŒne Alkohol hat großes Potenzial fĂŒr eine klimafreundliche Wirtschaft. „Erneuerbares Methanol gehört zu den am einfachsten zu implementierenden nachhaltigen Alternativen, vor allem im Chemie- und Transportsektor“, heißt es in dem Irena-Report. Er ist leicht zu lagern und zu transportieren und kann nahezu nahtlos in der Industrie eingesetzt werden.

Die Rolle von Methanol als Kraftstoff wĂ€chst schon seit Mitte der 2000er Jahre. Teils ist es die Basis fĂŒr Biodiesel oder dient als Grundstoff fĂŒr Antiklopfmittel. Von Benzin bis LPG kann Methanol zudem verschiedensten Kraftstoffen in relativ großer Menge beigemischt werden. Das geschah auch in den Ölkrisen der 1970er und 1980er Jahre.

In den vergangenen Jahren wuchs vor allem die Rolle von reinem Methanol als Kraftstoff. In China und Israel sind bereits Lkw mit Methanolantrieb auf den Straßen unterwegs. Auch die Kombination mit Direktmethanol-Brennstoffzelle ist erprobt, sowohl als alleiniger Antrieb als auch als ReichweitenverlĂ€ngerung fĂŒr Elektrofahrzeuge.

Auf dem Meer könnte Methanol den schwefelhaltigen Schiffsdiesel ersetzen. Das wĂŒrde der Luft nicht nur viel CO2 ersparen, sondern auch Schwefel- und Stickoxide. Zum Zeitpunkt der Studie zĂ€hlten die Autoren bereits mehr als 20 große Methanolschiffe, die in Betrieb oder in Auftrag waren. Ein Beispiel ist die Stena Germanica, eine 50.000 Tonnen schwere und 32.000 PS starke FĂ€hre, die zwischen Deutschland und Schweden unterwegs ist. Sie wurde in weniger als drei Monaten fĂŒr den Betrieb auf Methanol umgerĂŒstet.

Neben Methanol gilt auch Ammoniak als aussichtsreicher Kandidat fĂŒr eine grĂŒne Seeschifffahrt (s. HZwei-Heft April 2022).

Der Methanol-Bedarf weltweit steigt, ebenso die ProduktionskapazitĂ€ten. Formaldehyd (z. B. fĂŒr Leime, Harze, Desinfektionsmittel), Olefine (z. B. fĂŒr Kunststoffe) und die Beimischung zu Kraftstoffen sind derzeit die hĂ€ufigsten Verwendungen.

E-Methanol braucht Mega-Elektrolyseure

Zum Zeitpunkt der Studie erfasste das Autorenteam erst 0,2 Mio. Tonnen Methanol aus erneuerbaren Quellen, vor allem aus Biomasse. Doch Biomasse ist endlich, selbst wenn es gelingt, Abwasser, Schwarzlauge und HausmĂŒll als Quellen nutzbar zu machen. Nahezu unbegrenzt ist hingegen das Angebot an Wind- und Solarenergie. Am E-Methanol aus elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff fĂŒhrt auf Dauer also kein Weg vorbei.

Das Rezept: FĂŒr eine Tonne grĂŒnes E-Methanol nehme man 0,19 t Wasserstoff und 1,38 t CO2. Letzteren trenne man aus der Luft oder aus Abgas bzw. Biogasanlagen ab. Um den benötigten Wasserstoff zu erzeugen, speise man einen Elektrolyseur mit 1,7 Tonnen Wasser. ZusĂ€tzlich benötigt man zehn bis elf MWh Wind- oder Solarstrom, vor allem fĂŒr den Betrieb des Elektrolyseurs.

Mit einem 100-MW-Elektrolyseur, der zum Beispiel bei Thyssenkrupp oder Siemens Energy erhĂ€ltlich ist, ließen sich so immerhin 225 Tonnen E-Methanol tĂ€glich herstellen, rechnet der Bericht vor. Die grĂ¶ĂŸten der heutigen Methanolfabriken sind etwa um den Faktor zehn grĂ¶ĂŸer, brĂ€uchten also Elektrolyseure im Gigawattbereich. Diese Hochskalierung steht noch aus.

Die Kostenfrage: Kommt drauf an

Bis das grĂŒne Methanol preislich mit dem fossilen mithalten kann, muss noch einiges passieren. Wie so oft hĂ€ngt die Wirtschaftlichkeit von vielen schnell verĂ€nderlichen Faktoren ab, von den Stromkosten ĂŒber die Investition in den Elektrolyseur bis hin zu einer gĂŒnstigen CO2-Quelle.

Die Kosten fĂŒr die Herstellung von Methanol aus fossilen Brennstoffen bezifferte der Bericht mit 100 und 250 USD pro Tonne, was allerdings schon eine Weile her ist. Die Marktpreise im ersten Quartal 2023 lagen laut Methanol-Institute zwischen 300 und 600 USD pro Tonne. Die Kosten fĂŒr Biomethanol schĂ€tzt das Autorenteam der Studie derzeit auf 320 bis 770 USD pro Tonne, die sich auf 220 bis 560 USD senken ließen.

Dagegen hat es das E-Methanol aus grĂŒnem Wasserstoff bisher noch schwer, denn sowohl die Elektrolyse mit erneuerbaren Energien als auch die CO2-Abscheidung sind noch keine Massentechnologien. Das CO2 aus der Luft zu fischen wĂŒrde leicht 300 bis 600 USD pro Tonne kosten. FĂ€ngt man es aus einer Bioenergieanlage auf, wĂ€re es hingegen fĂŒr 10 bis 50 USD pro Tonne zu haben.

Der Wasserstoffpreis hĂ€ngt neben den Kosten fĂŒr den Elektrolyseur vor allem von den Stromerzeugungskosten hab. Grob gesagt kalkulieren die Autoren: Bisher wĂŒrde eine Tonne E-Methanol 800 bis 2.400 USD kosten, bis 2050 könnten die Kosten dafĂŒr auf 250 bis 630 USD sinken.

Wann und ob sich die Kosten des E-Methanols und des fossilen Methanols treffen, wird von der Skalierungsgeschwindigkeit ebenso abhÀngen wie von CO2-Preisen und dem globalen Energiepoker.

Methanol kompakt

Mit nur einer OH-Gruppe und einem Kohlenstoff-MolekĂŒl ist Methanol der chemisch einfachste unter den Alkoholen. Es ist bei Umgebungsbedingungen flĂŒssig, wasserlöslich, farblos und riecht leicht alkoholisch.

Methanol kommt von Natur aus in kleinen Mengen in Lebensmitteln und der AtmosphĂ€re vor. FrĂŒher wurde es als Nebenprodukt der Holzkohleherstellung gewonnen, daher hat es auch den Namen „Holzgeist“ oder „Holzalkohol“.

Im Vergleich zu Benzin oder Diesel ist die volumetrische Energiedichte von Methanol etwa halb so hoch. Es gefriert bei -97,6 °C, siedet bei 64,6 °C und hat eine Dichte von 0,791 kg pro Kubikmeter bei 20 °C. Bei der Verbrennung von reinem Methanol entsteht praktisch kein Rauch, Ruß oder Geruch.

Methanol ist leicht entzĂŒndlich und korrosiv. Obendrein ist es giftig. Das sind andere Kraftstoffe auch, es fĂ€llt allerdings selten auf, da niemand auf die Idee kĂ€me, Benzin oder Diesel zu trinken, wĂ€hrend Methanol immer wieder zum Panschen von Alkohol verwendet wird.

Kommerzielle E-Methanol-Produktion in den AnfÀngen

Rund um die Welt gibt es erste Projekte fĂŒr die Herstellung von E-Methanol. Meistens handelt es sich dabei um Pilot- und Forschungsanlagen mit kleinen KapazitĂ€ten. Auf der Suche nach kommerziellen Projekten stĂ¶ĂŸt man immer wieder auf ein Unternehmen: die Carbon Recycling International, kurz CRI, aus Island.

CRI nahm nach eigenen Angaben bereits 2012 eine kommerzielle E-Methanol-Anlage in Betrieb. Sie befindet in Svartsengi neben der berĂŒhmten Blauen Lagune und einem Geothermiekraftwerk. Mit dem heißen Wasserdampf kommen auch gelöstes CO2 und Schwefelwasserstoff an die ErdoberflĂ€che – letzterer sorgt fĂŒr den typischen Geruch nach faulen Eiern an Islands heißen Quellen.

Angelehnt an die Energiequelle lautet der Markenname Vulcanol. Mit immerhin 4.000 Tonnen Jahresproduktion kann man diese Anlage als die erste industrielle Anlage fĂŒr E-Methanol betrachten. Der Wasserstoff stammt aus einer alkalischen Elektrolyse.

Auch das Großprojekt in einer Kokerei in der chinesischen Stadt Anyang (110.000 Tonnen Jahresproduktion) geht auf CRI zurĂŒck. Eine Elektrolyse mit Ökostrom gibt es dort allerdings nicht. Vielmehr enthĂ€lt das Kokereigas neben Methan mit Wasserstoff und CO2 die fĂŒr die Methanolproduktion erforderlichen Stoffe. Laut CRI ist die Anlage seit dem dritten Quartal 2022 in Betrieb.

Eine weitere Anlage, ebenfalls in China, soll noch 2023 in Betrieb gehen, um aus CO2 und Wasserstoff aus einem Petrochemiekomplex jĂ€hrlich 100.000 Tonnen Methanol fĂŒr die Kunststoffproduktion zu gewinnen. Einsetzen will dieses vor allem der Segelboot-Hersteller Jiangsu Sailboat.

Die erste Großanlage in Europa könnte in Finnfjord in Nordnorwegen entstehen und CO2 aus einem Ferrosiliziumwerk sowie grĂŒnen Wasserstoff aus einer Elektrolyseanlage nutzten. Die Investitionsentscheidung ist allerdings erst auf 2024 datiert. ZusĂ€tzlich nennt CRI in seiner Referenzliste noch vier Projekte aus dem EU-Forschungsprogramm Horizon 2020.

Kleine Methanolfabriken von der Stange

Das Leipziger IngenieurbĂŒro BSE Engineering bietet unter dem Produktnamen FlexMethanol standardisierte Kleinanlagen fĂŒr die E-Methanol-Herstellung an. Eingangsleistungen von 10 und 20 MW pro Modul sind möglich, in Kombination bis zu 100 MW, heißt es in der BroschĂŒre. Als Zielgruppe nennt das Unternehmen Abfallverbrennungsanlagen, Papierwerke, fossile Kraftwerke und alle WĂ€rmeprozesse.

Der Prozess gliedert sich in vier Schritte: die Elektrolyse, die CO2-Abscheidung (Scrubbing), die eigentliche Methanolsynthese und die Destillation.

BSE Engineering ist fĂŒr die Integration der gesamten Methanolanlage zustĂ€ndig und außerdem laut BroschĂŒre exklusiver Anbieter der von BASF entwickelten Katalysatoren fĂŒr die Methanolsynthese. Mit im Boot sind außerdem AkerSolutions fĂŒr die CO2-Gewinnung, InvraServ-Knapsack fĂŒr das Detailengineering und Sulzer fĂŒr die Destillation. FĂŒr die Elektrolyse gibt es keinen festen Partner.

E-Methanol aus der KlÀranlage

Im Oktober 2022 entstand aus dem KIT die AusgrĂŒndung Icodos. Das Ziel: Aus CO2-Punktquellen wie z. B. Biogas, das in KlĂ€ranlagen anfĂ€llt, E-Methanol zu erzeugen, wobei im Fall von Biogas zusĂ€tzlich reines Biomethan fĂŒrs Gasnetz entsteht. DafĂŒr ist neben dem Biogas auch Wasserstoff erforderlich.

KIT Energy Lab: Im Energy Lab 2.0 untersuchen die Forschenden unter anderem die dynamische Methanolerzeugung mit erneuerbaren Energien.

Das aus CO2 und Wasserstoff erzeugte Methanol-Wasser-Gemisch absorbiert dabei das CO2 aus dem zuvor gereinigten Biogas. ZurĂŒck bleibt Methan, das ins Erdgasnetz gespeist werden kann. Das gelöste CO2 wiederum wird mit dem zugefĂŒhrten Wasserstoff aus dem Lösungsmittel ausgetrieben und in einem Synthesereaktor zu Methanol und Wasser umgesetzt. Ein Teil dieses Produkts wird im Kreis gefĂŒhrt und kann so immer wieder als Absorptionsmittel dienen.

Eine vom BMBF geförderte Pilotanlage ist im Bau und soll Ende des Jahres am KIT getestet werden. Danach soll sie in der Mannheimer KlĂ€ranlage an realem Biogas erprobt werden. Folgen soll ein grĂ¶ĂŸerer Test gemeinsam mit EDF in Frankreich. Ein Rollout könnte noch in diesem Jahrzehnt möglich sein. Die typische GrĂ¶ĂŸe fĂŒr die Anlagen soll im ein- bis zweistelligen Megawattbereich bezogen auf die Elektrolyseleistung liegen.

Institute und Chemiekonzerne arbeiten zusammen

In Deutschland gibt es eine ganze Reihe von Forschungsprojekten, die sich mit Methanol aus grĂŒnem Wasserstoff befassen. Meist arbeiten dabei etablierte Forschungsinstitute und große Raffinerie- oder Chemieunternehmen zusammen. Der hier zusammengestellte Überblick erhebt keinen Anspruch auf VollstĂ€ndigkeit.

WestkĂŒste100/Raffinerie Heide: An dem H2-Reallabor im schleswig-holsteinischen Heide will ein Konsortium eine ganze Reihe von Wasserstofftechnologien untersuchen – vom Kavernenspeicher bis zur Methanolsynthese (s. HZwei-Heft Okt. 2020). Letztere soll bei der Raffinerie Heide stattfinden. Das CO2 soll aus einem Zementwerk stammen, der Wasserstoff aus einer Elektrolyseanlage. Allerdings ist in der finalen Projektbeschreibung bezĂŒglich der Methanolsynthese nur noch von einer „Machbarkeitsstudie“ die Rede. Die Herausforderung sei es, den großtechnischen Prozess zwischen Zementwerk und Raffinerie einzubinden. Verantwortlich fĂŒr das entsprechende Arbeitspaket ist thyssenkrupp. Das Reallabor lĂ€uft von 2020 bis 2025. Eine Skalierung auf „mehrere hundert Megawatt“ Elektrolyseleistung im Anschluss an das Reallabor ist laut Projektbeschreibung das Ziel. Am Ende, so die Vision, soll dabei Kerosin fĂŒr den Hamburger Flughafen herauskommen.

Komplexe Infrastruktur: Die Studie zur Methanolerzeugung ist nur ein kleiner Teil des Projekts WestkĂŒste100. Die Vernetzung der Prozesse ist ein Argument fĂŒr die lokale Erzeugung der leicht transportablen Chemikalie.

HyPe+/Raffinerie Schwedt: Die Raffinerie Schwedt hat im Mai 2023 gemeinsam mit Enertrag eine Studie vorgelegt, nach der sie bis 2045 komplett klimaneutral werden könnte (s. S. 18). Anstelle fossiler Rohstoffe will sie auf grĂŒnen Wasserstoff aus der Region setzen. Wind- und Solaranlagen gibt es im Umland reichlich, unter dem Titel Flow-Projekt ist auch eine Wasserstoffleitung geplant. Die Zahlen machen Eindruck: 300 MW Elektrolyseleistung sollen es schon in der ersten Ausbaustufe sein, bis Ende 2027 dann 400 MW bei einer Wasserstoffproduktion von ĂŒber 30.000 Tonnen. FĂŒr 2030 sieht die Studie 160.000 Tonnen eigene Wasserstoffproduktion vor, weitere 80.000 sollen zugekauft werden. Damit wĂŒrde etwa ein FĂŒnftel der laut Nationaler Wasserstoffstrategie fĂŒr diesen Zeitpunkt vorgesehenen Menge in Schwedt landen. Produzieren will die Raffinerie perspektivisch zwei Millionen Tonnen „Flugkraftstoff, Methanol und High-Value-Chemicals“ jĂ€hrlich, eine weitere Tonne an Biokraftstoffen kommt hinzu. Die Frage nach der CO2-Quelle blieb leider bislang unbeantwortet.

Chemiepark Leuna/TotalEnergies: Am Standort Leuna kĂŒndigten TotalEnergies, die Fraunhofer-Institute CBP und IMWS sowie der Elektrolyseurhersteller Sunfire vor zwei Jahren ein Projekt mit dem Titel e-CO2Met an. Bei der dortigen Raffinerie Mitteldeutschland handelt es sich laut TotalEnergies mit jĂ€hrlich 700.000 Tonnen Methanol um die grĂ¶ĂŸte Methanolproduktion Europas – bisher komplett auf fossiler Basis. Der Hochtemperaturelektrolyseur von Sunfire ist mit einer Eingangsleistung von 1 MW vergleichsweise klein. Sunfire bestĂ€tigt, dass er seit Februar 2023 in Betrieb ist. Ein Update zum Gesamtprojekt war von TotalEnergies allerdings nicht zu bekommen.

H2Mare – Methanolproduktion auf dem Meer: Mit der Entfernung zur KĂŒste wĂ€chst nicht nur der mögliche Energieertrag von Offshore-Windparks, sondern leider auch der Aufwand fĂŒr die Anbindung ans Stromnetz – erst recht, wenn wegen der hohen Leistung mehrere Kabel nötig wĂŒrden. Deshalb könnten diese Windparks stattdessen Wasserstoff erzeugen, der sich per Schiff oder Pipeline an Land bringen lĂ€sst, so eine Idee, die unter anderem im Projekt Aquaventus Gestalt annimmt. Das Leitprojekt H2Mare, an dem auch das Karlsruher Institut fĂŒr Technologie (KIT) beteiligt ist, geht in einem der vier Verbundprojekte dabei noch einen Schritt weiter. Direkt auf See soll der Wasserstoff zu Ammoniak, LNG, Methanol oder flĂŒssigen Kohlenwasserstoffen (E-Fuels) verarbeitet werden. Eines der Projektziele ist es, beispielhaft einen vollstĂ€ndigen Prozess zur Herstellung von e-Fuels im Sommer 2025 erstmals auf einer schwimmenden Plattform vor Helgoland zu demonstrieren. Solche Anlagen mĂŒssen mit der schwankenden Stromproduktion aus Windenergie ebenso klarkommen wie mit einer schwankenden Plattform und den Wetterbedingungen auf See. Die dynamische Produktion von E-Methanol erprobt das KIT wĂ€hrend H2Mare allerdings nur an Land.

H2Mare verfolgt noch weitere AnsĂ€tze: FĂŒr den Offshorebetrieb angepasste Destillationsmodule aus dem 3-D-Drucker sollen das Methanol vom im Prozess ebenfalls entstehenden Wasser trennen. Das spart TransportkapazitĂ€t, und das Wasser soll nach Aufbereitung wieder fĂŒr die Elektrolyse zur VerfĂŒgung stehen. Das benötigte CO2 könnte kĂŒnftig mittels Elektrodialyse aus dem Meer gewonnen werden, was die Logistik vereinfachen wĂŒrde. Und die TU Berlin arbeitet daran, einen Elektrolyseur direkt mit Salzwasser zu betreiben.

OMV Deutschland, MĂŒnchen: Sogenannte Sustainable Aviation Fuels, kurz SAF, auf Basis von E-Methanol sind das Ziel des Projektes M2SAF. Das Konsortium besteht aus der BASF Process Catalysts, dem Anlagenbauer thyssenkrupp Uhde, der Raffinerie OMV Deutschland, dem Deutschen Zentrum fĂŒr Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem PrĂŒflabor ASG. Das Projekt startete im November 2022 und ist auf zweieinhalb Jahre ausgelegt. Details zu Mengen und Leistungen waren von Uhde nicht zu erfahren.

Die bisherigen Projekte in Sachen E-Methanol in Deutschland sind vielseitig, aber bisher eher klein. Wie schnell und ob sie ĂŒberhaupt hierzulande skalieren, ist noch abzuwarten. Der Wille ist da, doch allein die ErzeugungskapazitĂ€ten fĂŒr Wind- und Solarstrom aufzubauen, kostet Zeit und Geld. Und es gehört ja gerade zu den Vorteilen von Methanol, dass es sich problemlos auf Schiffen um die Welt transportieren lĂ€sst. Solange Deutschland seinen Energiebedarf nicht komplett selbst deckt und es keine Wasserstoffpipeline ĂŒbers Mittelmeer gibt, liegt es also nahe, dass grĂŒnes Methanol zu wesentlichen Teilen importiert werden wird.

 

Quellenangabe: CRI, Irena/Methanol Institute, Markus Breig, KIT

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