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Puzzleteile eines neuen Energiesystems

Kohlendioxid in synthetisches Erdgas umwandeln: Damit liessen sich womöglich mehrere Probleme der Energiewende lösen. Ein Projekt unter ZHAW-Leitung hat verschiedene technische Fortschritte erbracht.

Die Ziele sind klar: Bis 2030 sollen die Schweizer Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 um die Hälfte gesenkt werden. Bis 2050 will man das ganze Energiesystem umweltfreundlicher machen. Weniger klar ist, wie diese Ziele erreicht werden können. Das seit 2015 laufende Nationale Forschungsprogramm (NFP) 70 «Energiewende» soll hier neue Lösungsansätze aufzeigen. Ein erstes NFP-Projekt wurde im Januar 2018 abgeschlossen. Es heisst «Erneuerbare Energieträger zur Stromerzeugung» – geleitet hat es Andre Heel, Leiter des Prozesstechniklabors am Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) der ZHAW. Die Grundidee: Kohlendioxid (CO₂) aus der Zementindustrie zu synthetischem Erdgas verarbeiten. So kann der CO₂-Ausstoss der Industrie gesenkt und fossiles durch synthetisches Erdgas, welches erneuerbar ist, ersetzt werden.

CO2-Ausstoss von Zementwerken

Eine Vorgabe war, dass Klimagasquellen betrachtet werden sollten, die bisher vernachlässigt wurden. «So kamen wir auf das Kohlendioxid der Zementwerke», sagt Heel. «Es macht etwa sechs Prozent aller Schweizer CO₂-Emissionen aus.» Zudem gibt es in der Schweiz nur sechs Zementwerke, und das emittierte CO₂ ist hochkonzentriert – ideale Voraussetzungen für eine grosstechnische Umsetzung. «Lässt man CO₂ und Wasserstoff mit einem Katalysator reagieren, bekommt man Methan, also den Hauptbestandteil von Erdgas», sagt Heel. «So wird aus einem Abfallprodukt ein Wertstoff.» Speist man ihn ins Gasnetz ein, lassen sich damit Gasautos, Heizungen und Brennstoffzellen betreiben. Würde man das gesamte CO₂ aus Zementwerken so verwenden, sänken die Erdgasimporte um fast 40 Prozent. Die Technologie dazu gibt es. Doch der Umbau auf diesen erneuerbaren Energieträger benötigt neue Infrastrukturen und Investitionen.

Der grösste Kostenfaktor ist der Wasserstoff, den man zur Erdgasproduktion braucht. Um ihn herzustellen, bedarf es grossflächiger Solaranlagen. Denn ohne Solarzellen ergäbe der Prozess ökologisch wenig Sinn. Das zeigen Berechnungen, die Matthias Stucki vom Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen (IUNR) der ZHAW gemacht hat. Er war mit seiner Forschungsgruppe «Ökobilanzierung» an Heels Projekt beteiligt. «Wir haben verschiedene Szenarien durchgerechnet», sagt Stucki. «Was die Klimawirkung betrifft, schneidet das synthetische Erdgas in allen Fällen besser ab als das fossile.» Allerdings gibt es beträchtliche Unterschiede: Mit Dünnfilm-Solarzellen sinkt der CO₂-Ausstoss pro Kubikmeter Gas um etwa fünfzig Prozent. Verwendet man gewöhnlichen Strom aus der Steckdose, ist die Einsparung viel geringer. Auf den ersten Blick mag das überraschen, ist die Schweizer Stromproduktion doch sehr klimafreundlich. «Das Problem ist aber, dass wir auch EU-Strom aus Kohle- und Gaskraftwerken importieren», sagt Stucki.

Umweltaspekte des Methans

Betrachtet man neben der Klimawirkung andere Umweltaspekte, so schneidet selbst das mit Solarstrom produzierte Erdgas gar nicht mehr so gut ab. Denn für die Herstellung von Solaranlagen braucht es beträchtliche Mengen an Rohstoffen, bei deren Abbau und Verarbeitung beispielsweise Schwermetalle anfallen. «Aus Klimasicht ist das synthetische Erdgas als deutlich vorteilhaft zu beurteilen, aus einer umfassenden Umweltsicht aber noch nicht unbedingt», sagt Stucki.

Das gilt zumindest für die heute verfügbare Technologie. Denn das Team um Heel ist daran – und das ist der eigentliche Clou seines Nationalfonds-Projekts –, den ganzen Prozess deutlich effizienter zu machen. Dadurch wird das künstliche Erdgas künftig nicht nur billiger, sondern auch umweltfreundlicher. An vier Stellen hat Heel angesetzt:

  • In einem Teilprojekt haben Forschende der EPF Lausanne und der ZHAW neuartige Solarzellen weiterentwickelt, sogenannte PEC-Zellen. Diese spalten direkt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. «Dadurch spart man sich einen Umwandlungsschritt», sagt Heel. «Diese neue Technologie hat das Potenzial, die Wasserstoffherstellung zu vereinfachen und zu vergünstigen.» Von einer Markteinführung ist man allerdings noch relativ weit entfernt. Laut Heel stehen die PEC-Zellen heute etwa da, wo die gewöhnlichen Solarzellen vor zehn oder fünfzehn Jahren waren.
  • In einem weiteren Teilprojekt haben Wissenschaftler von ZHAW und EMPA die Methanherstellung verbessert. «Mit herkömmlichen Verfahren kommt man auf einen Umsatz von nur etwa 80 Prozent», sagt Heel. «Uns ist es gelungen, diese auf 100 Prozent zu steigern.» Das heisst: Jedes einzelne CO₂- und Wasserstoff-Molekül wird in Methan umgesetzt, ohne Nebenprodukte. Dahinter steht ein neuartiger Katalysator. Das Verfahren funktioniert einwandfrei und wird jetzt in grösserem Massstab getestet.
  • Ein weiterer Ansatzpunkt sind Fahrzeugmotoren. Denn ein Teil des mit den PEC-Solarzellen produzierten Wasserstoffes könnte für Autos mit sogenannten Niedertemperatur-Brennstoffzellen verwendet werden. Dabei wird der Wasserstoff in Strom umgewandelt, der einen Elektromotor antreibt. Solche Brennstoffzellen existieren schon länger, aber Forscher von ZHAW und PSI haben im Rahmen des Nationalfonds-Projekts bedeutende Verbesserungen vorgeschlagen. Die Industrie hat grosses Interesse daran; ein deutscher Automobilhersteller war am Projekt beteiligt. Eigentlich ist unbestritten, dass dieses Verfahren effizienter und umweltfreundlicher ist, als wenn aus dem Wasserstoff Erdgas zur Betankung der Autos gemacht wird. Doch das Erdgas hat einen Vorteil: Das Verteilnetz existiert bereits, während man es für den Wasserstoff erst aufbauen muss.
  • Schliesslich hat sich eine Arbeitsgruppe der ZHAW und ihres Industriepartners Hexis auch um Hochtemperatur-Brennstoffzellen gekümmert. Im Gegensatz zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen laufen diese nicht mit Wasserstoff, sondern mit Erdgas, und man betreibt sie stationär, etwa in Kellern. Solche Anlagen sind bereits zu kaufen; wer einen Gasanschluss hat, kann sie anstelle der Heizung einbauen. Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen produzieren Strom und Wärme. Dank dieser Doppelnutzung erreichen sie extrem hohe Wirkungsgrade von 95 bis 98 Prozent, viel mehr als gewöhnliche Gasheizungen. Den Forschern um Heel ist es gelungen, diesen Prozess zu verbessern: mit einem selbstregenerierenden Katalysator, der die Lebensdauer der Anlage erhöht und regelmässige Wartungen überflüssig macht. Der Industriepartner will das neuartige Material jetzt testen.

Ist es nicht unsinnig, mit Strom zuerst synthetisches Erdgas herzustellen, um daraus wieder Strom und Wärme zu erzeugen? Nein, sagt Heel. «Es gehört zu den Problemen der Energiewende, dass Nachfrage und Angebot der erneuerbaren Energien nicht zusammenpassen. Die Sonne scheint nicht dann, wenn wir das Abendessen kochen.» Elektrizität ist schwierig zu speichern. Für Erdgas gibt es ein grosses Leitungs- und Speichernetz. Und es kann Strom erzeugt werden, wenn er gebraucht wird.

Natürlich seien nicht alle Teilprojekte gleich gereift, sagt Heel. «Aber wir haben in diesen drei Jahren enorme Fortschritte hinsichtlich Effizienz, Lebensdauer und Technologietransfer gemacht. Darum sehe ich das ganze Projekt als grossen Erfolg.» Doch eine konsequente Umsetzung benötigt grosse Investitionen: «Es ist nicht billig, eine neue Infrastruktur aufzubauen. Aber wir müssen uns überlegen, was uns die Energiewende wert ist.» Ausserdem sähe das Gesamtbild wohl auch anders aus, wenn die CO₂-Zertifikate nicht immer noch derart billig wären. «Wir haben gezeigt, dass die Wende machbar ist. Wenn man sie wirklich will, braucht es jetzt politische Entscheide.»