Arbeitspaket A abgeschlossen: Analyse der Produktion des Ausgangsproduktes Methanol auf Grundlage von Wasserstoff und CO2

Einige unserer Partner haben Herstellungspfade für Methanol aus verschiedenen CO2-Quellen untersucht. Geleitet wurde das Arbeitspaket vom Forschungszentrum Jülich. bse Leipzig, Verfahrensgeber für strombasierte Methanolanlagen-Module (FlexMethanol), hat in dem AP Daten für die Methanolsynthese bereitgestellt. Methanol ist die Basis aller im C3-Mobility Projekt untersuchten Kraftstoffe. Ziel des Arbeitspaketes A ist es daher, die Produktion dieses Ausgangstoffes technisch und energetisch zu bewerten. Dazu wurden drei unterschiedliche CO2-Quellen, die Wasserelektrolyse und die Methanolsynthese analysiert, sowie der Gesamtwirkungsgrad und die benötigten Komponenten bestimmt. Die Ergebnisse des Arbeitspaketes A fließen in die Systembewertung und Markteinführungsstrategien in Arbeitspaket E ein und werden dort als Grundlage für die techno-ökonomische Gesamtbewertung aller Kraftstoffe dienen.

Für die Produktion von Methanol wird Wasserstoff, basierend auf regenerativ erzeugtem Strom, und eine nachhaltige CO2-Quelle benötigt. Das abgeschlossene Arbeitspaket A untersuchte daher mögliche CO2-Quellen, unterschiedliche Elektrolysevarianten und die CO2-basierte Synthese von Methanol.

Als mögliche CO2-Quellen wurden Industrieabgase, CO2 aus Biomasse und die direkte CO2-Abtrennung aus der Luft identifiziert, siehe Abbildung 1. Bei Industrieabgasen wurden ausschließlich prozessbedingte CO2-Emissionen berücksichtig, die z.B. bei der Zement- und Stahlproduktion oder der chemischen Industrie entstehen. Bei den biogenen CO2-Quellen wurden Biogaserzeugung, Bioethanol, Müllheizkraftwerke und Kläranlagen untersucht. Die direkte Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre (DAC) ist mithilfe von Ab- und Adsorptionsverfahren möglich, dessen Energiebedarfe und Temperaturniveaus jeweils aufgezeigt wurden.

Abbildung 1: Betrachtete CO2 Quellen im C3-Mobility Projekt

Für die drei CO2-Quellen wurde jeweils die vorhandenen Abscheide-technologien für die technische Bewertung sowie deren jeweilige Energieaufwände als Zielwerte bestimmt. Der Energieaufwand hat dabei Einfluss auf die Gesamteffizienz der Methanolproduktion. Neben klassischen Abtrennungsverfahren, wie der Aminwäsche (MEA) oder der Druckwechselabsorption, wurden auch die Möglichkeiten der Membran-abtrennung und des chilled Ammonia Verfahrens bei Industrieabgasen und biogenen CO2-Quellen untersucht.

Für die Bewertung der Wasserstoffproduktion wurde der aktuelle und zukünftig prognostizierte Entwicklungsstand der drei gängigen Elektrolysevarianten alkalische, PEM- und Hochtemperatur-Elektrolyse abgebildet. Diese unterscheiden sich in den Betriebstemperaturen, Ladungsträgern, Elektrolyten, eingesetzten Katalysatoren und in der technologischen Reife.
Die Methanolsynthese basierend auf H2 und CO2 ist neben der klassischen Produktion aus Synthesegas ein inzwischen ebenfalls kommerziell verfügbares Verfahren. Methanolsynthese zeichnet sich durch hohe Kohlenstoffeffizienz, hohe Systemeffizienz u.a. über die Druckangleichung Elektrolyse mit Methanolsynthese und Integrationsmöglichkeiten in die jeweiligen Standorte besonders aus. Maßnahmen zur Anpassung der Methanolsynthese an moderne Anforderungen haben Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Wesentlich sind dabei Flexibilität als regulatorische Anforderung für das Produkt und Generierung zusätzlicher Erlöspotenziale, Modularisation mit Investitions- und Betriebskostensenkung, Umsetzung von Ressourceneffizienz und CO2–Reduktion. Im letzten Teil des Arbeitspaketes A wurde die Synthese prozesstechnisch analysiert und die benötigten Edukte (H2und CO2) sowie der Betriebsmittelverbrauch an Strom und Dampf bestimmt. Zusätzlich liefert die Prozessanalyse die Eingangsdaten für die im C3-Mobility Projekt ebenfalls durchgeführte techno-ökomische Analyse aller Kraftstoffe in Form einer detaillierten Komponentenliste für die Produktion von Methanol.
Mit den Ergebnissen des Arbeitspaketes A konnte das in Abbildung 2 gezeigte Kennfeld für den Power-to-Fuel (PtF) Wirkungsgrad der Methanolsynthese aufgestellt werden. Dieser PtF-Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus der im synthetischen Kraftstoff gebundenen Energie zu den energetischen Aufwendungen seiner Produktion, also die Herstellung des Wasserstoffs (Elektrolyse), die Bereitstellung des benötigten Kohlenstoffdioxids, und weitere Betriebsmittelverbräuche wie Elektrizität oder Dampf. Die Ergebnisse in Abbildung 2 zeigen, dass sowohl die Elektrolyseart, als auch die CO2-Quelle einen maßgeblichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Methanolsynthese aufweisen. Heute können bereits PtF-Wirkungsgrade von 50-60 % mit etablierten CO2-Abtrennungsverfahren wie die MEA-Aminwäsche und am Markt verfügbaren Elektrolyseuren (AEL/PEM) erreicht werden. Mit einer prognostizierten Entwicklung in der Elektrolyse aufgrund steigender Nachfrage sind zukünftig auch PtF- Wirkungsgrade von über 60 % möglich.

Abbildung 2: Zusammenfassung der Ergebnisse des Arbeitspaketes A