Smarte Katalysatoren verwandeln CO₂ und Wasserstoff in Methan

Unter Einsatz des «SmartCat» genannten Katalysators wird das bei der Umsetzungsreaktion zu CH₄ entstehende H₂O mittels eines sorptionsfähigen Trägermaterials (Zeolith) von den Reaktionszentren des Nickels entfernt und im Porensystem temporär eingelagert (Abbildung 1, links).

Durch diese Wasseradsorption verschiebt sich – gemäss dem Prinzip von Le Chatelier – das Gleichgewicht der Reaktion hin zur Produktseite und damit zum Methan. In diesem Sorptionsmodus wird als direkte Konsequenz das CO₂ hocheffizient und vollständig, also zu 100 % zu CH₄ umgesetzt (Abbildung 2 im folgenden Aufklapp-Element «Sorptionsbasierte CO₂-Methanisierung», Bereich t = 5 bis 70 min). Ein kleiner Effekt aber mit grosser Wirkung, denn «SmartCat» erreicht damit den 100-Prozent-Umsatz bei 300 °C bereits bei atmosphärischem Druck, während konventionelle Katalysatoren dies noch nicht einmal bei 20 bar erreichen können.

Die sorptionsbasierte CO₂-Methanisierung ist ein komplexer Prozess, bei dem die grösste Herausforderung in der kombinierten Optimierung der Katalysatoraktivität und der Wasseradsorptionseigenschaften durch den Zeolithen besteht.

In den letzten Jahren wurden verbesserte Katalysatoren auf Nickelbasis mit einer höheren Wasseraufnahmefähigkeit entwickelt und katalytisch untersucht. Performance-Struktur-Korrelationen zeigen, dass neben Temperatur und Druck auch die Zeolithstruktur und Morphologie eine entscheidende Rolle spielen. Bedingt durch eine höhere Wasseraufnahme bei der Reaktionstemperatur von 300 °C zeigt ein 13X Zeolith als SmartCat-Träger signifikant erhöhte Umsätze im Vergleich zu üblichen, kommerziellen Katalysatoren und dreimal höhere Betriebszeiten im sorptionsverstärkten CO₂-Methanisierungsmodus im Vergleich zur ursprünglichen ZSM-5A Referenz.

Eine weitere Verbesserung konnte durch eine Betriebsparameterstudie erreicht werden, in der die Betriebsdauer nochmal um den Faktor 3 verbessert werden konnte, so dass der Sorptionsmodus in der ersten Entwicklungsphase nahezu 10-fach verlängert werden konnte. Interessanterweise zeigen aktuelle Studien, dass der Sorptionsmodus vollständige Umsätze erlaubt, selbst wenn nebst CO₂ und H₂ bis zu 70 % weitere Ballastgase wie N₂ (Zementabgas) oder CH₄ (Biogas) vorhanden sind.

Aktuell dreht sich die Weiterentwicklung um Katalysatoren, die ohne Nickel auskommen, was unter ökologischen Gesichtspunkten sehr zu begrüssen ist.

Zahlreiche Industriezweige wie die Stahl- und die Zementindustrie, Brauereien, Kläranlagen, Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) und Biogasprozesse emittieren grosse Mengen an CO₂. Bisher muss man dieses CO₂ entweder vorgängig separieren, um es effektiv katalytisch umsetzen zu können, oder es wird einer umfangreichen Nachbereitung unterzogen, um die geforderte Gasqualität zu erreichen.

30 % aller fossilen Erdgasimporte der Schweiz könnten mit CO₂ aus Zementabgasen ersetzt werden.

Mit der Technologie aus Rapperswil lassen sich hohe Investitionskosten für zusätzliche Membranaufreinigungen oder Aminwäscher einsparen, weil das CO₂ direkt im Gasstrom zu CH₄ umgesetzt werden kann. Weil der «SmartCat» Wasserstoff und CO₂ vollständig in Methan umwandelt, entsteht direkt und ohne Aufbereitung ein einspeisefähiges Gas.

Ein Biogasstrom, der je etwa zur Hälfte aus Methan und CO₂ besteht, erfährt durch die «SmartCat» Technologie eine enorme energetische und ökonomische Aufwertung. Es entsteht neu ein Produkt, das die direkte Einleitung ins bestehende Erdgasnetz ermöglicht.

Eine leicht andere Zielsetzung bietet sich bei Zementabgasen an: In einer kürzlich veröffentlichten Studie konnte Andre Heel mit den Coautoren Jens Baier und Gabriel Schneider zeigen, dass sich zementäres CO₂ in so grossen Mengen nutzen liesse, dass 30 % aller fossilen Erdgasimporte der Schweiz ersetzt werden könnten [6].