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Wasser für die Produktion von grünem Methanol könnte der Luft entzogen werden
Grünes Methanol braucht neben Kohlendioxid viel Wasser. Ausgerechnet sonnen- und windreiche Produktionsregionen sind oft trocken. Eine globale Modellstudie zeigt nun, dass Direct Air Capture in rund 97 Prozent der untersuchten Wasserstress-Regionen genug Wasser aus der Luft mitliefern könnte. Für die Kosten sind gute Wind- und Solarbedingungen meist wichtiger als hohe Luftfeuchte.
Jülich (Deutschland). Erneuerbares Methanol gilt als möglicher Grundstoff und Energieträger für eine weniger fossile Chemie- und Kraftstoffwirtschaft, benötigt aber neben erneuerbarem Strom und Kohlendioxid auch Wasser für die Wasserstofferzeugung und technische Prozesse. Gerade sonnen- und windreiche Regionen mit großem Potenzial für erneuerbare Energien leiden häufig unter Wasserstress.
Forscher des Forschungszentrums Jülich (FZJ) um Henrik Wenzel, den Corresponding Author der Studie, haben nun modelliert, ob eine Methanolproduktion in solchen Regionen ohne lokale Süßwasserentnahme auskommen könnte. Das Konzept nutzt Direct Air Capture (DAC), also die direkte Abscheidung von Kohlendioxid aus Umgebungsluft, zugleich als Wasserquelle.
Bei der untersuchten DAC-Technik bindet ein festes Filtermaterial neben CO₂ auch Wasserdampf, sodass beim anschließenden Freisetzen der Stoffe nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Wasser für die weitere Prozesskette zur Verfügung steht. Das Modell koppelt die Luftabscheidung mit Hochtemperaturelektrolyse, Methanolsynthese, Wind- und Solarstrom, Speichern, Wärmenutzung und einer Luftkühlung, die kein zusätzliches Prozesswasser verbraucht.
Dazu haben die Forscher 20.265 Regionen in 78 Ländern betrachtet, die 2050 voraussichtlich mindestens mittelhohem Wasserstress ausgesetzt sein werden. In rund 97 Prozent dieser Regionen liefert die Umgebungsluft im Jahresverlauf genügend Wasser für die modellierte Methanolproduktion. In 606 besonders trockenen Regionen entsteht im kostenoptimierten Betrieb kein Wasserüberschuss, doch zusätzliche Speicher und eine Verlagerung der DAC-Nutzung in feuchtere Stunden können die Knappheit laut Modell meist ausgleichen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Wasserknappheit grünes Methanol nicht grundsätzlich ausschließen muss“, erklärt Dr.-Ing. Jann Weinand vom Forschungszentrum Jülich (FZJ).
Für die Wirtschaftlichkeit ist die Luftfeuchte dem Modell zufolge weniger wichtig als eine ergiebige und möglichst gleichmäßige Versorgung mit erneuerbarem Strom. Die für 2050 berechneten Produktionskosten reichen je nach Region von rund 537 Euro bis über 2.000 Euro pro Tonne Methanol. Wenn die weltweit erwartete Nachfrage von 500 Millionen Tonnen pro Jahr aus den jeweils günstigsten untersuchten Regionen gedeckt würde, ergeben sich im Modell durchschnittlich 604 Euro pro Tonne.
Auch die Wetterabhängigkeit der Luftabscheidung spielt eine Rolle, weil Temperatur und Luftfeuchte den Energiebedarf der DAC-Anlage verändern und die gesamte Systemeffizienz je nach Standort zwischen 39 und 49 Prozent liegt. Eine Luftkühlung verursacht in den meisten Regionen dagegen nur geringe Zusatzkosten, während starke Wasserrestriktionen die Produktion an den trockensten und heißesten Standorten im Modell um bis zu rund 80 Euro pro Tonne verteuern.
Die Wasserversorgung aus der Atmosphäre löst allerdings nicht automatisch jede ökologische Frage. Die aktuelle Modellrechnung untersucht, wie Wetterbedingungen die Anlage beeinflussen, nicht aber, wie sehr große Anlagen ihrerseits lokale Luftfeuchte, Wolken oder Niederschlag verändern könnten.
„Vor dem Bau sehr großer Anlagen sollte diese Frage standortspezifisch untersucht werden“, sagt Dr.-Ing. Thomas Schöb vom FZJ.