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Die Methanolwirtschaft ist eine hypothetische, zukünftige Energiewirtschaft, in der Methanol auf allen Stufen (Gewinnung, Speicherung, Übertragung, Handel, Vertrieb …) der Energiewirtschaft fossile Brennstoffe als primären Energieträger ersetzen soll und zum dominierenden Energieträger wird. Die Methanolwirtschaft wäre eine Alternative zu den propagierten Modellen einer Wasserstoffwirtschaft. Methanol ist flüssig bei Raumtemperatur und lässt sich daher leichter transportieren und speichern als Wasserstoffgas.[1]
Bereits heute wird Methanol, meist als Derivat wie Biodiesel oder MTBE, in nennenswertem Umfang im Kraftstoffsektor eingesetzt. In der Europäischen Union kann Methanol bis zu 3 % als Beimischung zum Benzin eingesetzt werden. Über Verfahren wie Methanol to Gasoline lässt sich aus Methanol Motorenbenzin herstellen, Folgeprodukte wie Dimethylether sind als Ersatz für Dieselkraftstoff verwendbar.
Für die Nutzung von Methanol und seinen Folgeprodukten wie Dimethylether müssen die bestehenden Verbrennungsmotoren weiterentwickelt werden oder als Flexible Fuel Vehicle für verschiedene Kraftstoffarten nutzbar sein. Möglich sind auch Antriebe auf Basis von Brennstoffzellen.
Methanol wird technisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugt. Dieses Synthesegas genannte Gemisch wird vorwiegend aus Erdgas gewonnen. Idealerweise könnte der Kohlenstoff für die Methanolsynthese künftig mithilfe regenerativer Energien aus atmosphärischer statt fossiler Quelle gewonnen werden. Dies ist alternativ zu den sich erschöpfenden Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorräten und der begrenzt verwendbaren Biomasse ein möglicher Weg zur Bereitstellung von Energie.
Im Jahr 1986 veröffentlichte Friedrich Asinger das Buch Methanol – Chemie- und Energierohstoff: Die Mobilisation der Kohle, in dem er Methanol als Chemierohstoff sowie als Energieträger und die Grundzüge einer zukünftigen Methanolwirtschaft beschrieb.[5]
Die Idee wurde im Jahr 2005 von Nobelpreisträger George A. Olah im Buch Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy in dem Chancen und Möglichkeiten der Methanolwirtschaft diskutiert werden, aufgegriffen. Er verzeichnet Argumente gegen die Wasserstoffwirtschaft und erläutert Möglichkeiten der Erzeugung des Methanols aus Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Methan.[1][6]
Olah schlägt vor, Kohlendioxid aus der Luft durch Absorbieren an geeignete Trägermaterialien anzureichern, aus denen es in konzentrierter Form wiedergewonnen werden könnte. Kaliumhydroxid und Calciumcarbonat werden als mögliche Absorbentien genannt. Der Energieaufwand zur Freisetzung des so gespeicherten Kohlendioxids ist aber hoch, sodass bessere Substanzen entwickelt werden müssen. Der Gewinnungsprozess aus Umgebungsluft ist wegen der niedrigen CO2-Konzentration in der Luft (0,037 %) der zurzeit teuerste.
Alternativ wird, zumindest bis zum Ende der fossilen Energiewirtschaft, die Wiederverwendung gefilterter Verbrennungsabgase aus Kraftwerken mit bis zu 15-prozentigem CO2-Anteil diskutiert. Allerdings würde dieses Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen.
„Es wird vorgeschlagen, dass Methanol verwendet wird als (i) ein bequemes Energiespeichermedium, (ii) ein leicht transportierter und vertriebener Treibstoff, inklusive Verwendungen bei Methanolbrennstoffzellen, und (iii) als Einsatzstoff für synthetische Kohlenwasserstoffe und ihre Produkte, einschließlich Polymere und Einzelzellproteine (zur Tiernahrung und/oder menschlichem Verzehr). Die Kohlenstoffquelle wird letztendlich die Luft sein, die allen auf der Erde zur Verfügung steht, während die notwendige Energie aus alternativen Energiequellen, einschließlich Kernenergie, erhalten wird.“
Großtechnisch wird erneuerbares Methanol derzeit vor allem aus vergärten Abfällen sowie Hausmüll (Bio-Methanol) und erneuerbarem Strom (e-Methanol) hergestellt.[7] Die Produktionskosten für regeneratives Methanol betragen aktuell ca. 300 bis 1000 USD/t für Bio-Methanol, ca. 800 bis 1600 USD/t für e-Methanol aus Kohlenstoffdioxid aus erneuerbaren Quellen und ca. 1100 bis 2400 USD/t für e-Methanol aus Kohlenstoffdioxid aus Direct Air Capture.[8]
Brennstoffkosten:
Methanol ist kostengünstiger als Wasserstoff. Für Großmengen (Tank) beträgt der Preis inkl. MWSt für fossiles Methanol ca. 0,3 bis 0,6 EUR/L.[9] Die zu 1 L Methanol energieäquivalente Menge[3][2] von 0,13 kg fossilen Wasserstoffs kostet derzeit inkl. MWSt ca. 1,2 bis 1,3 EUR für Großmengen (9,5 EUR/kg an Wasserstofftankstellen[10]). Für mittelgroße Mengen (Lieferung in einem IBC-Container mit 960 L Methanol) beträgt der Preis inkl. MWSt für fossiles Methanol üblicherweise ca. 0,5 bis 0,7 EUR/L[11], für Biomethanol ca. 0,7 bis 2,0 EUR/L[12] und für e-Methanol[13] aus CO2 ca. 0,8 bis 2,0 EUR/L zuzüglich Pfand für den IBC-Container. Für mittelgroße Mengen an Wasserstoff (Flaschen-Bündel) kostet die zu 1 L Methanol energieäquivalente Menge von 0,13 kg fossilen Wasserstoffs inkl. MWSt üblicherweise ca. 5 bis 12 EUR zuzüglich Flaschenmiete. Die aus heutiger Sicht deutlich höheren Kosten für Wasserstoff sind unter anderem auf die aufwändige Logistik und Lagerung von Wasserstoff zurückzuführen. Während sowohl Biomethanol als auch regeneratives e-Methanol bei Händlern erhältlich ist[12][14], ist grüner Wasserstoff noch nicht im Handel verfügbar. Sowohl die Kosten für regenerativen Wasserstoff als auch die Kosten für regeneratives Methanol werden voraussichtlich in Zukunft sinken.[8]
Infrastruktur:
Laut der Studie „Integriertes Energiekonzept 2050“ beträgt im Jahr 2040 voraussichtlich der Anteil an reinen Elektrofahrzeugen zwischen etwa 20 und 50 % für PKWs und zwischen 0 und ca. 15 % für LKWs.[15] Der Rest setzt sich aus brennstoffbasierten Antrieben (Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor) zusammen. Während die Methanolinfrastuktur für 10.000 Tankstellen ca. 0,45 bis 1,7 Mrd. EUR kosten würde, würde die Wasserstoffinfrastruktur für 10.000 Tankstellen ca. 14 bis 1200 Mrd. EUR kosten in starker Abhängigkeit von der geforderten Wasserstoffabgabemenge pro Zeitraum.[16][17]
Energiewandler:
Während für mit Methanol betriebene Verbrennungsmotoren keine signifikanten Zusatzkosten im Vergleich zu mit Benzin betriebenen Verbrennungsmotoren entstehen, würden für einen PKW mit Methanolbrennstoffzelle in Abhängigkeit von der Produktionsmenge Zusatzkosten von etwa -500 bis 2000 Euro im Gegensatz zu einem mit Wasserstoffbrennstoffzelle betriebenen PKW entstehen (insbesondere Zusatzkosten für Reformer, Balance of Plant Komponenten und ggf. Stack abzüglich Kosten für Wasserstofftank[18] und Wasserstoff-Hochdruckarmaturen).
Aktuell (Stand 2021) beträgt der Wirkungsgrad für die Wasserstoff-Produktion durch Wasser-Elektrolyse aus Strom etwa 75 bis 85 %[8] mit Potential bis 93 % bis zum Jahr 2030.[19] Der Wirkungsgrad für die Methanolsynthese aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid beträgt aktuell 79 bis 80 %.[8] Der Wirkungsgrad für die Herstellung von Methanol aus Elektrischer Energie und Kohlenstoffdioxid beträgt somit ca. 59 bis 78 %. Steht das CO2 nicht direkt zur Verfügung, sondern wird durch Direct Air Capture aus der Luft bezogen, so beträgt der Wirkungsgrad für die Methanolherstellung aus Strom 50–60 %.[8][20] Bei Nutzung des e-Methanols in einer Methanol-Brennstoffzelle beträgt der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 35 bis 50 % (Stand 2021). Der elektrische Gesamt-Wirkungsgrad für die Herstellung von e-Methanol aus Strom und die nachfolgende Energiewandlung in Elektrizität durch eine Brennstoffzelle beträgt folglich etwa 21 bis 34 % für e-Methanol aus direkt verfügbarem Kohlenstoffdioxid und etwa 18 bis 30 % für e-Methanol produziert aus durch Direct Air Capture gewonnenes Kohlenstoffdioxid.
Wird darüber hinaus exogene Abwärme für eine Hochtemperatur-Elektrolyse genutzt oder die bei den Prozessen der Elektrolyse, der Methanolsynthese und/oder der Brennstoffzelle entstehende Abwärme genutzt, so kann der Gesamtwirkungsgrad über den elektrischen Wirkungsgrad hinaus deutlich erhöht werden.[21][22] Beispielsweise kann bei einer Nutzung der Abwärme (z. B. Fernwärme), die bei der Herstellung von e-Methanol durch Elektrolyse und der nachfolgenden Methanolsynthese anfällt, ein Gesamt-Wirkungsgrad von 86 % erreicht werden.[22] Wird die Abwärme der Brennstoffzelle genutzt, so wird aktuell ein Wirkungsgrad der Brennstoffzelle von 85 bis 90 % erreicht.[23][24] Die Abwärme kann beispielsweise zum Beheizen eines Fahrzeugs oder eines Haushalts genutzt werden. Auch die Erzeugung von Kälte aus Abwärme ist möglich (Kältemaschine). Bei einer umfassenden Nutzung von Abwärme kann ein Gesamt-Wirkungsgrad von 70 bis 80 % für die Herstellung von e-Methanol inklusive der nachfolgenden Nutzung des e-Methanols in einer Brennstoffzelle erreicht werden.
Der elektrische System-Wirkungsgrad inklusive sämtlicher Peripherieverluste (u. a. Kathodenkompressor, Stackkühlung) beträgt für eine Methanolbrennstoffzelle vom Typ RMFC ca. 40 bis 50 % und für eine Wasserstoffbrennstoffzelle vom Typ NT-PEMFC ca. 40 bis 55 %.[16][25][26][27][28]
Von Araya et al. wurden der Wasserstoff-Pfad und der Methanol-Pfad (aus verfügbarem CO2) miteinander verglichen.[16] Hierbei wurde der elektrische Wirkungsgrad vom Punkt der Strombereitstellung bis zur Abgabe von Elektrizität durch eine Brennstoffzelle betrachtet (mit folgenden Zwischenschritten: Power Management, Konditionierung, Transmission, Elektrolyse, Methanolsynthese bzw. Wasserstoffkompression, Brennstoff-Transport, Brennstoffzelle). Für Methanol beträgt hiernach der Wirkungsgrad 23 bis 38 % und für Wasserstoff 24 bis 41 %. Beim Wasserstoff-Pfad geht hierbei im Vergleich zum Methanol-Pfad ein erhöhter Teil der Energie durch die Wasserstoffkomprimierung und den Wasserstofftransport verloren, während für den Methanol-Pfad Energie für die Methanolsynthese aufgewendet werden muss.
Von Helmers et al. wurde der Well-to-Wheel (WTW) Wirkungsgrad von Fahrzeugen verglichen. Für mit fossilem Benzin betriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor beträgt der WTW Wirkungsgrad demnach 10 bis 20 %, für mit fossilem Benzin betriebene vollelektrische Hybrid-Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 15 bis 29 %, für mit fossilem Diesel betriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 13 bis 25 %, für mit fossilem CNG betriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 12 bis 21 %, für Brennstoffzellenfahrzeuge (z. B. fossiler Wasserstoff oder Methanol) 20 bis 29 % und für batterieelektrische Fahrzeuge 59 bis 80 %.[29] In der Studie von Agora Energiewende wird für verschiedene Antriebsarten, bei Nutzung erneuerbaren Stroms für die Brennstoff-Herstellung, ein WTW Wirkungsgrad von 13 % für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (bei Betrieb mit synthetischem Kraftstoff wie beispielsweise OME), 26 % für Brennstoffzellen-Autos (bei Betrieb mit Wasserstoff) und 69 % für batteriebetriebene Elektroautos genannt.[30] Wird erneuerbarer Wasserstoff verwendet, so beträgt der Well-to-Wheel Wirkungsgrad für ein mit Wasserstoff betriebenes Brennstoffzellenfahrzeug etwa 14 bis 30 %. Wird erneuerbares e-Methanol aus direkt verfügbarem CO2 hergestellt, so beträgt der Well-to-Wheel Wirkungsgrad für ein mit e-Methanol betriebenes Fahrzeug mit Verbrennungsmotor etwa 11 bis 21 % und für ein mit e-Methanol betriebenes Brennstoffzellenfahrzeug etwa 18 bis 29 %. Wird erneuerbares e-Methanol aus CO2 aus Direct Air Capture hergestellt, so beträgt der Well-to-Wheel Wirkungsgrad für ein mit e-Methanol betriebenes Fahrzeug mit Verbrennungsmotor etwa 9 bis 19 % und für ein mit e-Methanol betriebenes Brennstoffzellenfahrzeug etwa 15 bis 26 % (Stand 2021).
Methanol und seine Folgeprodukte wie Dimethylether können dann sowohl in klassischen Verbrennungsmotoren als Kraftstoff als auch in Methanolbrennstoffzellen (Direktmethanolbrennstoffzelle sowie Indirekte Methanolbrennstoffzelle) zur Stromerzeugung genutzt werden. Bei Anwendung einer Brennstoffzelle eignet sich die Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) bis zu einer elektrischen Leistung von 0,3 kW. Bei höheren Leistungen ist die Anwendung einer Indirekten Methanolbrennstoffzelle (auch Reformer-Methanol-Brennstoffzelle, engl. Reformed Methanol Fuel Cell, RMFC) effizienter und kostengünstiger.
Speicherung, Transport und Verteilung des bei Raumtemperatur flüssigen Methanols kann die bestehende Infrastruktur und Technik nutzen. Weite Entfernungen zwischen Verbrauchern und Erzeugern regenerativer Energien können dann effizient überbrückt werden. Die Energiespeicherdichte beträgt etwa 50 % der Speicherdichte für Benzin und Diesel.
Enerkem aus Kanada produziert regeneratives Methanol mit einer Kapazität von etwa 100.000 t/a.[8] Insbesondere wird das Methanol aus Hausmüll produziert.
Celanese kündigte im Mai 2021 an, am Standort Clear Lake in Texas Methanol aus CO2 produzieren zu wollen, wofür 180.000 Tonnen CO2 pro Jahr eingesetzt werden sollen.[61]
Ein Konsortium aus Porsche, Siemens Energy, Enel, AME und ENAP plant in Chile den Bau von Produktionsanlagen zur Herstellung von erneuerbarem Methanol aus Windstrom und Kohlenstoffdioxid aus der Luft (Stand Juli 2021).[62][63] Mit Unterstützung von ExxonMobil soll das Methanol zu weiteren synthetischen Kraftstoffen umgewandelt werden.
Laut einer Studie der Unternehmensberatung Methanol Market Services Asia (MMSA) wird geschätzt, dass die weltweite Kapazität in den Jahren bis 2027 um 55,8 Millionen Tonnen zunehmen wird, von denen 38 Millionen Tonnen als Kraftstoff verwendet werden.
Die Produktion von Methanol in China basiert überwiegend auf Kohle und soll sowohl als hoch Methanol-haltiger Kraftstoff wie M85 und M100 als auch als Derivat wie Dimethylether verwendet werden. Im Jahr 2007 lag der Preis für Spot-Methanol in China bei circa 40 % des Preises für Benzin. Staatliche Kommissionen in China arbeiten an nationalen Methanol-Kraftstoff-Standards, chinesische Automobilhersteller arbeiten an verbesserten Methanolmotoren.
Im „Liquid Solar Fuel Production demonstration Project“ konnte im Jahr 2020 die großtechnische Produktion von regenerativem Methanol durch Sonnenenergie mit einem 10 MW Elektrolyseur dargestellt werden.[64]
Ende 2021 soll in der Provinz Henan in der „Shunli CO2-To-Methanol Plant“ mit Unterstützung durch Carbon Recycling International die mit einer Kapazität von 110.000 t/a weltgrößte Anlage zur Produktion von Methanol aus CO2 entstehen.[65]
Mehrere Kraftfahrzeughersteller, wie die FAW Group, Shanghai Huapu, Geely Group, Chang’an, Shanghai Maple und SAIC bereiten sich für die Massenproduktion von mit Methanol betriebenen Fahrzeugen vor.[66] Unter anderem sollen Flotten aus Bussen und Taxis mit Methanol angetrieben werden.
Über 20.000 Taxis werden in China mit Methanol angetrieben (Stand 2020).[67]
In der Provinz Shanxi existieren 1000 Tankstellen, die M15 abgeben, und 40 weitere, die M85-M100 abgeben.[66] Bis 2025 will die Regierung von Shanxi an 2000 weiteren Tankstellen Zapfsäulen auf Methanol-Kraftstoff umrüsten sowie 200.000 Fahrzeuge auf den Betrieb mit Methanol umrüsten.[66]
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