Wer grünes Methanol herstellen will, braucht Wasser. Denn Wasser liefert den nötigen Wasserstoff, per Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen. Desweiteren brauchen Unternehmen CO₂, das dann mit dem Wasserstoff unter hohem Druck und hoher Temperatur an einem Katalysator zu Methanol reagiert. Der Energieträger ist flüssig, gut transportierbar und hat eine hohe Energiedichte. Damit eignet er sich gut als klimaneutraler Ersatz für fossile Energieträger in Industrie und Verkehr, etwa in der Schifffahrt oder in der Chemiebranche.
Dumm nur, dass die Standorte, die Bedingungen besonders gute Bedingungen für die Erzeugung von Solar- und Windstrom aufweisen, etwa Wüstenregionen, oft sehr trocken sind. Doch das muss kein Hindernis sein, wie das Forschungszentrum Jülich in einer neuen Studie im Rahmen ihres DryHy-Projekts zeigt.
Neben CO₂ auch Wasser aus der Luft abscheiden
Die Wissenschaftler setzen dabei auf Direct Air Capture (DAC), also das Extrahieren von CO₂ aus der Luft. Wenn nämlich das DAC-Filtermaterial Kohlendioxid bindet, nimmt es dabei auch Wasser aus der Luft auf. Was bislang eher als störender Nebeneffekt gilt, wird den Wissenschaftlern zufolge in wasserarmen Regionen zum Vorteil.
Die Jülicher Forscher haben bei ihren techno-ökonomischen Modellrechnungen die gesamte Prozesskette modelliert – einschließlich erneuerbarer Stromerzeugung, Elektrolyse, Energiespeichern, Wärmenutzung und Kühlung ohne zusätzlichen Wasserverbrauch.
Die Analyse umfasst mehr als 20.000 Regionen in 78 Ländern, die im Jahr 2050 voraussichtlich mindestens mittlerem Wasserstress ausgesetzt sein werden. In rund 97 Prozent dieser Regionen enthält die Luft im Jahresverlauf genug Wasser, um den Bedarf der Produktion vollständig zu decken, so die Wissenschaftler. Selbst an sehr trockenen Standorten wäre die Herstellung grundsätzlich möglich, wenn die Anlage bevorzugt in feuchteren Stunden arbeitet und Wasser zwischenspeichert.
Strom für Wirtschaftlichkeit meist wichtiger als Wasser
Darüber hinaus zeigen die Modellrechnungen, dass eine ergiebige und möglichst gleichmäßige Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Quellen für die Wirtschaftlichkeit meist wichtiger ist als eine hohe Luftfeuchtigkeit. Besonders vorteilhaft sind Standorte mit einer guten Kombination aus Wind- und Solarenergie.
An den günstigen Standorten liegen die für 2050 von den Forschern projizierten Produktionskosten in einer Größenordnung von einigen Hundert Euro pro Tonne. Damit könnten die Kosten von grünem Methanol dort, wo die Bedingungen für Photovoltaik und Windenergie besonders gut sind, in die Nähe heutiger Marktpreise rücken. Der aktuelle europäische Vertragspreis liegt bei knapp 1.000 Euro pro Tonne. Dieser Vergleich ist jedoch nur eine Momentaufnahme, betonen die Wissenschaftler: Marktpreise schwanken stark, und die Studie modelliert künftige Produktionskosten.
An weniger günstigen Standorten liegen die Methanol-Kosten allerdings weit höher. Der technologische Fortschritt und steigende CO₂-Preise könnten den Abstand zu den Marktpreisen aber verkleinern, so das Forscherteam.
Die Wissenschaftler verweisen darauf, dass regionale Unterschiede bei Finanzierung, Arbeitskosten und Infrastruktur sowie mögliche Materialengpässe in ihren Modellrechnungen nicht vollständig berücksichtigt sind. Zudem müsse sich die angenommene flexible Fahrweise der zugrunde gelegten Hochtemperaturelektrolyse noch im industriellen Dauerbetrieb bewähren.
„Die Studie zeigt keine fertige Blaupause für jeden Standort“, sagt Erstautor Henrik Wenzel vom Forschungszentrum Jülich. „Sie zeigt aber, unter welchen Rahmenbedingungen das Konzept besonders vielversprechend ist – und welche technischen und ökologischen Fragen als nächstes beantwortet werden müssen.“
Forscher untersuchen auch Rückwirkung auf Wolken und Niederschlag
Im Rahmen des DryHy-Projekts untersuchen die Wissenschaftler zudem, wie sich die großtechnische Entnahme von Wasserdampf auf das lokale Klima auswirken könnte. Während das aktuelle Modell untersucht, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Anlage beeinflussen, soll sich in Zukunft auch eine mögliche Rückwirkung auf Luftfeuchte, Wolken oder Niederschlag bewerten lassen.
„Dass wir keine lokalen Süßwasservorräte beanspruchen, bedeutet nicht automatisch, dass die Entnahme aus der Atmosphäre in jeder Größenordnung folgenlos bleibt“, sagt Thomas Schöb, Leiter des Teams Energiesystemtransformation des Forschungszentrums Jülich. „Vor dem Bau sehr großer Anlagen sollte diese Frage standortspezifisch untersucht werden.“
Das Forscherteam des Forschungszentrum Jülich hat seine Analyse bei Nature Communications veröffentlicht.