Potenzial von e-Methan/Green LNG Was verspricht die Methanisierung von Wasserstoff?

Energieträger aus unterschiedlichen Power-to-Gas-Verfahren könnten viele Probleme in Hinblick auf die zu bauende Infrastruktur lösen. Es bestehen jedoch erhebliche technische Heausforderungen. Ein Vergleich.

Mittlerweile ist in weiten Teilen von Politik und Wirtschaft verstanden worden, dass Wasserstoff künftig eine zentrale Rolle in unserem Energiesystem spielen wird, um erneuerbare Energien zeit- und ortsunabhängig speicher- und nutzbar zu machen. Eine entscheidende Leerstelle beim Aufbau der Wasserstoffwirtschaft sind die Speichermedien, sogenannte Derivate wie Ammoniak, Methanol und LOHC, denn: Pipelines gibt es kaum und Wasserstoff kann gasförmig aufgrund seiner geringen Energiedichte in Tanks nur schlecht in Massen transportiert werden. Diese werden aber in Form von Importen über den Seeweg nötig sein, um den hohen Bedarf von Verkehr und Industrie zu decken. Das Hauptaugenmerk der Branche liegt derzeit auf Ammoniak, da hierfür die Infrastruktur (Anlagen, Schiffe) etabliert ist und die Unternehmen seit Jahrzehnten Erfahrung im Umgang mit diesem Stoff haben. Zudem wird vergleichsweise wenig Energie für die Verflüssigung benötigt und er kann direkt in der Düngemittel- und anderen chemischen Industrien genutzt werden. Jedoch ist der Wirkungsgrad in der Prozesskette mit den verschiedenen Umwandlungsschritten – insbesondere wenn ein Cracker den Wasserstoff am Zielort wieder herauslöst – dürftig, sodass viel von der Primärenergie verloren geht. Zudem ist Ammoniak stark toxisch.

Vorteile von eMethan

Statt den Wasserstoff (H₂) mit Stickstoff (N) reagieren zu lassen um Ammoniak (NH₃) daraus herzustellen, besteht technisch auch die Möglichkeit, ihm Kohlendioxid (CO₂) zuzusetzen, um daraus klimaneutrales Methan (CH₄) zu machen. Die Vorteile erscheinen noch eindringlicher: Wird das CO₂ etwa per Direct Air Capture (DAC) direkt aus der Luft entnommen und bei der Verbrennung des eMethans wieder freigesetzt, bleibt die Emission bilanziell bei 0. Sofern es wieder in Wasserstoff umgewandelt wird (per Dampfreformierung), kann das CO₂ per Carbon Capture and Storage (CCS) dem Kohlenstoffkreislauf sogar dauerhaft entnommen werden. Auch eine direkte Verwendung des eMethans für Heizungen und industrielle Prozesswärme ist naheliegend, da somit weitgehend die bestehende Erdgas-Infrastruktur genutzt werden kann. Heutige Abnehmer müssten zudem ihre Anlagen nicht umstellen. Zusätzlich zu bestehenden Pipelines und Verteilnetzen können - nach Verflüssigung zu Green LNG - auch die neuen LNG-Importterminals weiterbetrieben werden.

Nachteile von eMethan

Die DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte Institut des KIT (DVGW-EBI) hat im Mai 2023 eine sehr anschauliche Kurzstudie zu Transportoptionen von Wasserstoff veröffentlicht und darunter auch das Thema Methanisierung von Wasserstoff beleuchtet. CO₂ ist derzeit nur aus Punktquellen wie Zementfabriken, Biogasanlagen oder per DAC verfügbar – insgesamt aber viel zu wenig, um es in großem Stil für Power-to-Gas einzusetzen. DAC steht gerade erst am Beginn der Entwicklung mit nur wenigen Pilotprojekten weltweit, von industriell-kommerziellen Anlagen ist man noch Jahre entfernt. Hinzu kommt der hohe Energieaufwand des Verfahrens.

Nicht allein der Wirkungsgrad entscheidet

Jenseits der bereits vorhandenen Infrastruktur ist für die Wirtschaftlichkeit eines Energieträgers entscheidend, wieviel von dem ursprünglich in den Prozess eingebrachten grünen Strom beim Verbraucher ankommt. In der genannten Studie wurde errechnet, dass bei Ammoniak der Ausnutzungsgrad der Prozesskette bei etwa 72 Prozent liegt, mit Cracking allerdings nur bei 60 Prozent. Schlechter ist die Energiebilanz von GreenLNG aus eMethan, bei dem der Ausnutzungsgrad bei der Direktnutzung bei etwa 56 Prozent, mit Dampfreformierung zur Wasserstoffgewinnung bei 47 Prozent liegt. Insgesamt müssen bei den Optionen mehrere Faktoren betrachtet werden, wie die folgende Grafik zeigt.

Keine eindeutige Tendenz für ein bestimmtes Trägermedium

Die Studie kommt zu dem Fazit, dass alle Transportoptionen Prozessschritte enthalten, die momentan nicht kommerziell verfügbar sind. Im Fall von Flüssigwasserstoff sind das der Schifftransport und die Verflüssigung, bei Green-LNG CO2-Transport/-Quellen, bei Ammoniak das Cracking und bei LOHC Anlagen für Hydrierung und Dehydrierung. Heute am fortgeschrittensten seien die Bedingungen für green-LNG, jedoch sei die Prozesskette mit zukünftig höchstem Ausnutzungsgrad Flüssigwasserstoff. Dies lässt den Schluss zu, dass künftig verschiedene Transportwege parallel betrieben werden. Hinzu kommt, dass technische Fortschritte Transporte und Umwandlungsprozesse perspektivisch effizienter machen und sich die Ausnutzungsgrade damit noch verschieben können.