Versuchsanlage zur Synthese von Methanol aus Biogas

Fast 60 % der anthropogenen Treibhausgasemissionen entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Stromproduktion und für Transportzwecke. Die dadurch bedingte Abnahme der Energieträger stellt eine große Herausforderung dar. Die Alternativen, wie Solar- und Windkraftvariieren jedoch in ihrem örtlichen und zeitlichen Dargebot sehr stark. Perioden geringer Erzeugung wechseln mit Zeiten einer lokalen Überproduktion, in denen das große Angebot an Solarstrom und/oder Windstrom nicht vom Netz aufgenommen werden kann. Daraus leitet sich ein großer Bedarf zur Speicherung insbesondere von elektrischer Energie ab. Ansätze hierfür werden neben der Speicherung in Batterien in der Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung gesehen. Wasserstoff erscheint zwar als idealer Energieträger hinsichtlich einer emissionsfreien Energieversorgung, erfordert aufgrund seiner extremkleinen Atomgröße sehr aufwendige und teure Speichersysteme und ist auch in Verbindung mit der ebenfalls teuren Brennstoffzellentechnologie wirtschaftlich ineffizient zurück in elektrische Energie umzuwandeln.

Kläranlagen fungieren auch als Energieerzeuger: die Klärgasverstromung in Blockheizkraftwerken dient der elektrischen Energieeigenversorgung. Zeitweise ist das Angebot an anderen erneuerbaren Energien im Stromnetz jedoch so hoch, dass deren Nutzung am Kläranlagenstandort gesamtvolkswirtschaftlich sinnvoll in chemische Energiespeicherkonzepte integriert werden kann. Hierbietet sich an, Klärgas/Biogas in einen flüssigen Energieträgerwie z. B. Methanol umzuwandeln. Zusätzlich ist damit die Einbindung von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff sowie von Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus anderen Quellen in den Syntheseprozess möglich. Methanol besitzt viele Vorteile:

• einfache Lagerung und hohe Energiedichte,
• sehr vielseitige unkomplizierte Einsetzbarkeit als Kraft- und Chemierohstoff.

Im Rahmen eines vom Land NRW geförderten Pilotvorhabens „WASTRAK NRW – Einsatz der Wasserstofftechnologie in der Abwasserbeseitigung“ wurde eine halbtechnische Anlage zur Methanolsynthese aus Biogas realisiert und betrieben.

Vorgereinigtes Biogas (Feedgas) wird in einem Reformermit Wasserdampf zu Synthesegas (Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonooxid) gespalten, bzw. reformiert. Ein Teilstrom (Brenngas) dient durch die Verbrennung mit Raumluft der Wärmezufuhr für die Reformierungsreaktion. Anschließend erfolgt aus dem produzierten Synthesegas im Reaktor die katalytische Synthese des Methanols. Die Auslegung für den Betrieb bei niedrigeren Drücken von 20 und 22 bar liegt deutlich unterhalb des industriellen Maßstabs von 50 bis 100 bar. Diese Randbedingungen vereinfachen die Bedienung und Einsetzbarkeit des Prozesses z. B. an Biogasstandorten. Ein innovativer Kern des Verfahrens ist die hocheffiziente interne Wärmeübertragung sowie das Stoffstromrecycling zur Maximierung der Produktausbeute. Gesteuert wird die Versuchstechnik über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), welche eine variable Versuchsdurchführung gewährleistet.

Mit der Pilotanlage konnte gezeigt werden, dass die technische Herausforderung der Methanolsynthese inklusive der Rückführung der nicht reagierten Gasbestandteilegelöst werden konnte. Hierbei wurden insbesondere durch Kombination der notwendigen Heiz- und Kühlprozesse und somit der Ausschöpfung der vorhandenen Energiepotenziale der Edukte, Produkte und Nebenprodukte der Anlage berücksichtigt. Zur Abscheidung des Produktes, bestehend aus einem Methanol-Wasser-Gemisch, wurde dies in einer nachfolgenden Verfahrensstufe auskondensiert.