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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:

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.»