«Eine Ehrenrettung für das Gasnetz»

Die Energie aus Erdgas nutzen, ohne dass dabei CO2-entsteht – das wären mehrere Fliegen auf einen Streich. Empa-Forscher Christian Bach erklärt, wie die Umsetzung dieser Technik aussieht.

Erdgas bildet eine wichtige Grundlage der weltweiten Energieversorgung. Da bei seiner Verbrennung CO2 entsteht, ist es in Energiestrategien, die auf Dekarbonisierung zielen, im Nachteil. Es gibt aber die Möglichkeit, das Gas so zu nutzen, dass es neben Hitze ein nützliches Kohlenstoffmaterial statt CO2 liefert. Christian Bach, Leiter der Abteilung Chemische Energieträger und Fahrzeugsysteme bei der zum ETH-Bereich gehörenden Forschungsanstalt Empa, erklärt, wie das die Ehre des Gasnetzes retten könnte. Wir treffen ihn an seinem Arbeitsplatz in Dübendorf.

«Unser Ziel ist es, das Kohlenstoffpulver in «Carbon Black»-Produkte weiterzuentwickeln»: Anlage zur Methanpyrolyse in der Fabrik von V-Zug.

 

Weltwoche: Ende November hat der Verein zur Dekarbonisierung der Industrie eine Methanpyrolyse-Anlage beim Haushaltsapparatebauer V-Zug eingeweiht. Sie sind als Empa-Vertreter Mitinitiator dieses Projekts. In einfachen Worten: Was wird in dieser Anlage genau gemacht?

Christian Bach: In dieser Anlage wird Erdgas oder Biogas nicht einfach verbrannt, um Hitze zu erzeugen, da dies eine unerwünschte Folge hat, nämlich die Bildung von CO2. In der Methanpyrolyse wird der Kohlenstoff vom Erdgas oder Biogas vor der Verbrennung in Form eines Kohlenstoffpulvers abgespalten, sodass kein CO2 entstehen kann.

 

Weltwoche: Kann man also grob sagen: Man nutzt vom Methan nur den Wasserstoffteil für die Erzeugung der gewollten Hitze und entfernt den Kohlenstoff, damit kein ungewolltes CO2 daraus entsteht?

Bach: Ja, genau. Methanmoleküle als Hauptbestandteil von Erdgas oder Biogas haben die chemische Formel CH4, also immer ein Kohlenstoffatom (C) ist je mit vier Wasserstoffatomen (H) verbunden. Diese Bindungen müssen geknackt werden, um den Wasserstoff vom Kohlenstoff zu trennen.

 

Weltwoche: Wie schwierig ist das?

Bach: Wenn man Moleküle auftrennen will, muss man die Bindungskraft überwinden, die diese Moleküle zusammenhält. Dazu muss den Molekülen Energie in Form von Wärme oder – wie in unserem Fall – elektromagnetischer Strahlung aus einem Mikrowellengenerator zugeführt werden. Da bei Methan zwischen C und H keine Doppelbindungen wirken, sondern nur Einfachbindungen, kann dieses Molekül mit vergleichsweise geringem energetischem Aufwand aufgetrennt werden.

 

Weltwoche: Wie funktioniert die Anlage in Zug genau?

Bach: Man kann sich das so vorstellen, dass die Pyrolyse als Hauptreaktion in einer kleinen Kammer erfolgt, etwa von der Grösse einer Schuhschachtel. In diese Kammer wird eine definierte Mikrowellenstrahlung eingebracht, genau gleich, wie das in einem Mikrowellenofen in der Küche geschieht. In der Küche werden durch die Mikrowellenstrahlung die Wasser- oder Fettmoleküle in Schwingung versetzt, was diese aufheizt. Werden nun nicht Wasser oder Nahrungsmittel der Strahlung aussetzt, sondern ein geeignetes Gas wie Stickstoff, werden bei entsprechender Mikrowellenleistung Elektronen abgespalten, die dann – sobald man Methan zuführt – die Methanmoleküle auftrennt.

 

Weltwoche: Also in H2 und C?

Bach: Ja, sowie in geringem Mass in ein paar weitere Kohlenwasserstoffe. Das Ganze geschieht in Form eines «Plasmas», eines wunderschön violett leuchtenden Gases, das aus elektrisch geladenen Molekülen, also Ionen, und Elektronen zusammengesetzt ist. Die Auftrennung geschieht in komplexen Teilschritten, die wir im Rahmen einer Dissertation im Labor untersuchten. Der Kohlenstoff bildet Mikropartikel, die sich in kleinen Aggregaten zusammenfinden, was dann als schwarzes Pulver abgeschieden wird. Dieses schwarze Pulver entspricht dem CO2, das in die Luft gelangt wäre, wenn das Methan ohne Kohlenstoffabtrennung verbrannt worden wäre.

 

Weltwoche: Was ist das Neue an Ihrem Ansatz?

Bach: Das heute industriell verbreitete Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Methan ist die Dampfreformierung. Dabei wird der Kohlenstoff nicht als Pulver abgeschieden, sondern in CO2 umgewandelt und emittiert.

 

Weltwoche: Und der Unterschied zu Ihrem Ansatz bei der Dampfreformierung ist, dass da CO2 anfällt?

Bach: Ja, der Wasserstoffpfad mittels Dampfreformierung weist CO2-Emissionen auf. Die Methanpyrolyse könnte diesen konventionellen Wasserstoffpfad in Zukunft ersetzen.

 

Weltwoche: Kann man beim konventionellen Weg die CO2-Emissionen denn nicht auch abscheiden und irgendwo deponieren?

Bach: Ja, das ist für dezentrale Anlagen jedoch aufwendig und erfordert entsprechende CO2-Verflüssigungs-, Transport- und Speicherinfrastrukturen, die es heute nicht gibt. Die Methanpyrolyse benötigt keine neuen Infrastrukturen. Man hat aber den Nachteil, dass man gleichzeitig zwei Stoffe produziert und auch vermarkten muss.

 

Weltwoche: Ist Vermarkten ein Nachteil?

Bach: Je nach Situation. Wenn man für beide Stoffe einen Abnehmer hat, ist das wirtschaftlich sogar interessant. Wenn man nur für den Wasserstoff oder nur für den Kohlenstoff Abnehmer findet, ist es ein Nachteil.

 

Weltwoche: Hat der Kohlenstoff immerhin den Vorteil, dass er einfach zu handhaben ist?

Bach: Genau, und das darf nicht unterschätzt werden. Das CO2, das bei der herkömmlichen Dampfreformierung erzeugt wird, kann zwar abgeschieden, transportiert und gespeichert werden, muss aber – falls gasförmig gespeichert – überwacht werden. Bei der Methanpyrolyse dagegen fällt einfach ein schwarzes Pulver an, das beispielsweise dem Beton oder Asphalt beigemischt werden und so gespeichert werden kann. Das muss zwar auch richtig gemacht werden, bleibt dann aber ohne Folgekosten. Die Menge an eingelagertem Kohlenstoff beziehungsweise vermiedenem CO2 kann einfach ermittelt werden, indem es gewogen wird. Man braucht dafür keine komplexen Modelle oder Berechnungen.

 

Weltwoche: Hat der Kohlenstoff einen Marktwert?

Bach: Ja, unser Ziel ist es, das Kohlenstoffpulver in «Carbon Black»-Produkte weiterzuentwickeln. «Carbon Black» wird heute sehr ineffizient aus fossiler Energie hergestellt und in grossen Mengen in der Industrie für Reifen, Gummimaterialien, Abdichtungen, Klebstoffe und Batterien eingesetzt. Die Methanpyrolyse kann genutzt werden, um industrielle Prozesse zu dekarbonisieren, indem der Kohlenstoff aus dem Brennstoff entfernt wird, der dann als Ersatz für konventionellen «Carbon Black» dient. Man kann also zwei Fliegen auf einen Schlag treffen.

 

Weltwoche: Können Sie das quantifizieren?

Bach: Vergleicht man die Methanpyrolyse mit der konventionellen Wasserstoff- und «Carbon Black»-Produktion, zeigt die Methanpyrolyse erstens den Vorteil von bis zu 90 Prozent vermiedenen direkten CO2-Emissionen auf und zweitens einen insgesamt um bis 40 Prozent höheren Wirkungsgrad.

 

Weltwoche: Kann man das schon für den industriellen Massstab sagen?

Bach: Nein, die Methanpyrolyse in der Form, wie sie in Zug eingesetzt wird, steht an der Schwelle von Forschungsdemonstratoren zu Industriedemonstratoren. Diese Technologie muss noch industrialisiert werden. Das bedeutet, die Anlagen grösser zu machen, kompakter zu bauen sowie allenfalls auch die Aufbereitung von Kohlenstoff zu integrieren. Auch der Wirkungsgrad kann noch verbessert werden. Bei alldem ist zu beachten, dass es bei der Methanpyrolyse verschiedene technische Konzepte gibt. Wir haben uns für einen dezentralen Ansatz ohne Wasserstoffspeicherung entschieden.

 

Weltwoche: Was heisst das?

Bach: Das heisst, dass der erzeugte Wasserstoff direkt vor Ort verbraucht und die Anlage schnell ein- und ausgeschaltet werden können sollen. Damit kann man aufwendige Wasserstoff-Verteilinfrastrukturen einsparen. Anhand der Energieperspektiven 2050+ des Bundesamts für Energie haben wir geschätzt, dass es mehrere hundert bis wenige tausend solcher Anlagen in der Schweiz mit Hochtemperaturprozessen gibt. Der Emaillierungsofen bei V-Zug als einer dieser Prozesse mit einer Leistung von 1,4 Megawatt ist also hoffentlich nur der Beginn.

 

Weltwoche: Bedeutet dezentral mehr Selbständigkeit?

Bach: Dezentral bedeutet primär, dass es keine neuen Infrastrukturen braucht, was eine rasche Umsetzung ermöglicht. Damit man auch ohne Wasserstoffspeicher auskommt, muss die Anlage schnell ein- und ausgeschaltet werden können. So ist es möglich, den Wasserstoff nur dann zu produzieren, wenn dieser auch direkt genutzt werden kann.

 

Weltwoche: Die Methanpyrolyse-Anlage steht also ein paar Meter neben dem Emaillierungsofen, dem Abnehmer für Wasserstoff?

Bach: Sie steht ungefähr 200 Meter vom Emaillierungsofen entfernt. Im Ofen der V-Zug werden bei etwa 850 Grad pulverbeschichtete Blechteile emailliert. Das ergibt die bekannte harte keramische Beschichtung auf Kuchenblechen und andern Teilen des Ofens. In diesem Ofen werden sechzehn Brenner betrieben, die im konventionellen Fall Erdgas verbrennen, mit entsprechenden CO2-Emissionen. Mit Blick auf ihre Netto-null-Ziele suchten V-Zug und involvierte Firmen Lösungen, die CO2-arm oder sogar CO2-negativ sind. Dies führte dann schliesslich zur Diskussion des Einsatzes der Methanpyrolyse.

 

Weltwoche: Jetzt ist es also immer noch so, dass Gas in die Fabrik kommt, aber es wird nicht konventionell verbrannt?

Bach: Das ist richtig. Es ist die gleiche Gasleitung, die jetzt schon den Emaillierungsofen versorgt. Mit der aktuellen Methanpyrolyse-Anlage kann der Ofen zwar nur zu etwa einem Drittel mit Wasserstoff betrieben werden. Für zwei Drittel bleibt man beim Erdgas beziehungsweise Biogas. Bewährt sich der Ansatz, prüft V-Zug, ob nach dem aktuellen Demonstratorprojekt eine Anlage realisiert werden soll, die den Wasserstoffbetrieb im gesamten Betriebsbereich ermöglicht. Um zudem den reinen Wasserstoffbetrieb auszutesten, werden wir Versuche fahren, in denen der Ofen nur zu einem Drittel der Leistung, dafür aber mit 100 Prozent Wasserstoff betrieben wird.

 

Weltwoche: Ist die Wasserstoffverbrennung einfach beherrschbar?

Bach: Im Prinzip schon, der Hauptunterschied zum Erdgas sind eine andere Flammüberwachung und anspruchsvollere Materialien, da Wasserstoff auf gewisse Materialien eine versprödende Wirkung ausüben kann. Der Ofen- und der Brennerhersteller sind in das Projekt involviert und haben die Anlage für den reinen Wasserstoffbetrieb freigegeben. Natürlich sind auch Sicherheitsfragen zentral. Dabei arbeiten wir mit dem Swiss Safety Center zusammen, das uns in allen sicherheitstechnischen Fragen berät. Weil aber Wasserstoff in der Industrie schon lange im Einsatz ist, ist das alles regulatorisch gut abgedeckt und das Fachwissen vorhanden. Zudem können Wasserstoffsysteme einfach mittels Druckmessung auf Dichtheit geprüft werden, denn auch bei kleinsten Lecks misst man sofort einen Druckverlust.

 

Weltwoche: Aber Wasserstoff ist für den Transport schwierig aufzubereiten?

Bach: Ja, der Transport ist wohl die grösste Hürde für Wasserstoffanwendungen. Deshalb wählten wir eine dezentrale Lösung. Wenn man den Wasserstoff zentral herstellt und dann dezentrale Ort für die Nutzung anliefern will, ist das erstens technisch aufwendig und zweitens auch teuer. Heute wird Wasserstoff oftmals in Lastwagen transportiert, aber mehr Lastwagenverkehr will auch niemand.

 

Weltwoche: Die erste Aufgabe Ihrer Anlage in Zug, die Wasserstoffproduktion, kann man jetzt also mal abhaken. Wird jetzt der zweite Teil, die Aufbereitung des Kohlenstoffs, ebenso wichtig?

Bach: Tatsächlich ist die lokale Wasserstoffherstellung und -nutzung relativ einfach. Der zweite Teil der Anlage besteht in der Kohlenstoffaufbereitung. Um den Kohlenstoff vom Wasserstoff zu trennen, musste ein geeigneter Filter entwickelt werden. Und ist der Kohlenstoff separiert, hat man ein Mikropulver, das nicht einfach zu handhaben und gesundheitlich anspruchsvoll ist. Deshalb haben wir mit einer anderen schweizerischen Firma ein Kohlenstoff-Granulierungskonzept entwickelt, um aus diesem Pulver kleine Kügelchen mit Durchmessern von zwei bis fünf Millimetern herzustellen, das unproblematisch ist, in Transport und Handling.

 

Weltwoche: Wo steht der vorher von Ihnen angesprochene Marktwert ungefähr?

Bach: Der Marktpreis für «Carbon Black» liegt zwischen 1500 und 2500 Franken pro Tonne. Umgerechnet in einen CO2-Preis, sind das 500 bis 800 Franken pro Tonne CO2, ein relativ hoher Wert.

 

Weltwoche: Und wie sieht der Markt aus?

Bach: Die Reifenindustrie macht weltweit mit etwa 50 Prozent den grössten Anteil dieses Markts aus. Dieser wächst, weil die Reifen grösser werden und mehr Autos verkauft werden. Aber «Carbon Black» ist auch sonst in vielen Produkten enthalten, in Batterien, Oberflächenbeschichtungen, Dicht- und Klebstoffen. «Carbon Black» ist ein hochstrukturiertes Material, macht Gummi weich, langlebig, widerstandsfähig, etwa gegen Sonnenstrahlung oder Hitze.

 

Weltwoche: Aber das Pulver aus Ihrer Methanpyrolyse müssen Sie zuerst zum geeigneten «Carbon Black» verarbeiten?

Bach: Das ist ein Schwerpunkt des Vereins zur Dekarbonisierung der Industrie, der das Projekt in Zug durchführt. Wir werden demnächst mit der Entwicklung eines Verfahrens starten, um aus diesem Kohlenstoff ein zertifiziertes «Carbon Black»-Produkt zu entwickeln.

 

Weltwoche: Also neben dem Wasserstoff als zweites Produkt aus der Methanpyrolyse?

Bach: Ja, und langfristig erscheint auch ein drittes Produkt möglich. Nutzt man erneuerbares Biogas oder synthetisches Methan anstelle von fossilem Erdgas, resultieren negative CO2-Emissionen, weil die Erzeugung von Biogas oder synthetischem Methan zum Entzug von CO2 aus der Atmosphäre geführt hat. Diese negativen Emissionen werden einen Marktwert erhalten und könnten das dritte Produkt sein, das vermarktet werden könnte. Deshalb, so unsere vorsichtige vorläufige Einschätzung, ist das Pyrolyseverfahren langfristig wirtschaftlich interessant, wenn nicht unvorhergesehene Stolpersteine auftauchen.

 

Weltwoche: Also ein Modell, in dem zum Beispiel in Wüstenregionen mit viel ungenutzter Sonnenenergie synthetisches Methan produziert wird, unter Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre? Und dann ab zur Pyrolyse in der Schweiz?

Bach: Das ist der Plan. So könnte man erneuerbares Methan über bestehende Infrastrukturen und Handelsmechanismen in die Schweiz bringen und dann aber nicht als Methan verbrennen, weil dabei das sehr aufwendig aus der Atmosphäre ausgefilterte CO2 wieder emittiert würde. Stattdessen könnte durch die Methanpyrolyse der Kohlenstoff abgespalten und als Material genutzt oder in Beton über lange Zeit gespeichert werden. Dieses Konzept könnte man Tausende von Jahren lang durchziehen ohne negativen Umwelteinfluss. Das geht mit fossilem Erdgas nicht, denn nach fünfzig oder hundert Jahren wären die Vorräte erschöpft.

 

Weltwoche: Eine schweizerische Gruppe hat ja mit Oman schon ein Projekt zur Produktion nachhaltiger Brenn- und Treibstoffe in Wüsten skizziert, Sie sind auch involviert.

Bach: Das ist aus meiner Sicht ein äusserst spannendes Projekt. Dabei ist angedacht, dass mit einer Grossanlage jährlich etwa zwei Terawattstunden nachhaltige Treib- und Brennstoffe produziert werden sollen. Das sind rund 150 000 Tonnen pro Jahr. Gemessen an den für die Schweiz in den Energieperspektiven geschätzten fünfzehn Terawattstunden jährlichen Gasverbrauchs im Jahr 2050 bräuchte man sieben oder acht solche Anlagen, wie wir sie jetzt in Oman diskutieren. Die Anlagen müssten strategisch richtig platziert werden, um eine resiliente Versorgung sicherzustellen, also etwa auch in Nordafrika oder Südamerika. Diese Lösung wäre meiner Ansicht nach energetisch oder auch wirtschaftlich machbar. Wir haben eine Vorstudie in Arbeit und versuchen, im Sommer 2026 ein Industriekonsortium zu bilden, das ein solches Projekt in Oman umsetzt.

 

Weltwoche: Wer sind die Konkurrenten, die an der Methanpyrolyse arbeiten?

Bach: Es gibt eine grosse Anlage der Firma Monolith in den USA, in Nebraska, die schon jetzt «Carbon Black» für die Reifenindustrie im grossen Stil herstellt. Sie ist eine Art Speerspitze, wenn es um grosse Anlagen geht. Für die Schweiz erachten wir, wie gesagt, eher dezentrale Anlagen als sinnvoll, etwa für Prozesswärme in der Metall- oder Zementindustrie, ebenso für die Fernwärmeproduktion. Es gibt zurzeit eine Handvoll Firmen, die Demonstratoranlagen realisieren, wobei oftmals etwas unterschiedliche Technologien eingesetzt werden. Alle haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile, weshalb man die Anwendung genau verstehen muss, um auf die bestmögliche Technologie zu setzen.

 

Weltwoche: Wie lange gibt es das Gasnetz Ihrer Ansicht nach noch?

Bach: Ich glaube, das Gasnetz wird es noch lange geben; das fossile Erdgas wird es hoffentlich bald nicht mehr geben, sondern durch Biogas und synthetisches Methan ersetzt sein.

 

Weltwoche: Bringen die neuen Technologien eine Art Ehrenrettung für Erdgas, eröffnen sich da neue Bahnen?

Bach: Nicht für das Erdgas, aber eine Ehrenrettung für das Gasnetz, würde ich sagen. Weil damit eben nicht nur ein Energieträger gut verteilt werden kann, sondern weil es auch zur Realisierung negativer CO2-Emissionen dienen und damit auch ein klimarelevantes Instrument werden könnte.