Methanol: Der neue Wasserstoff

Wasserstoff hat als potenzieller Ersatzkraftstoff für Transporte viel Aufsehen erregt, um den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Aber Methanol wäre viel besser als der reaktivere und flüchtigere Wasserstoff, argumentiert der Chemiker und Nobelpreisträger George Olah in einem neuen Buch. Jenseits von Öl und Gas: Die Methanolwirtschaft .

Olah weist darauf hin, dass Methanol, eine sauber verbrennende Flüssigkeit, nur geringfügige Änderungen an den bestehenden Motoren und der Kraftstoffversorgungsinfrastruktur erfordern würde (siehe The Methanol Economy ). Und bei der Herstellung könnte sogar Kohlendioxid verwendet werden, eine Quelle der globalen Erwärmung. Die Vorteile von Methanol sind seit langem bekannt – nun könnten jüngste Fortschritte in der Methanolsynthese und Methanolbrennstoffzellen diesen Kraftstoff noch attraktiver machen.

Derzeit werden etwa 90 Prozent der weltweiten Produktion von Methanol (CH3OH) aus Methan (CH4) gewonnen, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Die heutigen Verfahren zur Herstellung von Methanol bestehen aus zwei Stufen: Umwandlung von Methan in Synthesegas, einem Gemisch hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, und dann in Methanol. Obwohl diese Schritte im Laufe der Zeit effizienter geworden sind, könnte der Wegfall des Synthesegasschrittes Geld sparen, da er derzeit bis zu 70 Prozent der Kosten für die Methanolherstellung ausmacht.



Um diese Kosten zu vermeiden, haben Olah und seine Kollegen Wege untersucht, Methan direkt in Methanol umzuwandeln. Man nehme Methan und stecke nur ein Sauerstoffatom ein, sagt Olah, Direktor des Loker Hydrocarbon Research Institute an der University of Southern California (USC). Leicht gesagt, aber nicht so leicht gemacht. Das Problem ist, dass Methan chemisch inert ist und sich nur bei hohen Temperaturen leicht mit Sauerstoff verbindet. Ein Katalysator hilft, aber gängige Katalysatoren selbst funktionieren erst bei 300 Grad Celsius oder höher. Bei diesen Temperaturen wird der größte Teil des produzierten Methanols zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Tatsächlich können die Methanolausbeuten bei solchen Reaktionen nur 2 Prozent betragen.

Kürzlich entdeckte Katalysatoren bei niedrigeren Temperaturen bieten bessere Ausbeuten, sagt Roy Periana, außerordentlicher Professor für Chemie an der USC. Mit einem Katalysator auf Platinbasis, gelöst in konzentrierter Schwefelsäure bei 200 Grad Celsius, hat Periana eine Methanolausbeute von mehr als 70 Prozent erreicht. Jetzt sucht er nach günstigeren Katalysatoren und hat einige vielversprechende gefunden.

Olah und sein Kollege Surya Prakash, Professor für Chemie an der Universität, haben eine alternative Methode entwickelt, um Methan in Methanol umzuwandeln, indem sie ein Halogen wie Brom verwenden. In Gegenwart spezieller Katalysatoren und bei weniger als 250 Grad Celsius reagiert Methan mit Brom zu Methylbromid (CH3Br) und Bromwasserstoff (HBr). Methylbromid reagiert dann mit Wasser zu Methanol. Das Brom aus dem Bromwasserstoff kann durch Reaktion mit Luft zurückgewonnen und wiederverwendet werden.

Technik und Internet

Die Herstellung von Methanol aus Erdgas – das immer noch fossile Brennstoffe enthält und den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre erhöht – sei nur der erste Schritt, sagt Olah. Chemiker wissen seit langem, dass Methanol durch die Kombination von Kohlendioxid und Wasserstoff hergestellt werden kann. Ein solcher Prozess erfordert beispielsweise erhebliche Energie, um den Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen, aber diese Energie könnte aus kohlenstofffreien Quellen wie Atom- oder Windkraft stammen. Das Kohlendioxid könnte aus Rauchgasen und schließlich direkt aus der Atmosphäre gewonnen werden, sagt er.

In einem solchen System würde das beim Verbrennen von Methanol freigesetzte Kohlendioxid durch das bei seiner Herstellung eingefangene Kohlendioxid ausgelöscht. Der Prozess wäre also CO2-neutral und das produzierte Methanol wäre ein praktischer flüssiger Kraftstoff, der Kraftstoffe auf Erdölbasis ersetzen könnte. Wenn das Kohlendioxid aus der Luft und der Wasserstoff aus Wasser stammt, wäre diese Methode zur Herstellung von Methanol wie eine schnelle Photosynthese: Wir müssen nicht warten, bis die Pflanzen überschüssiges Kohlendioxid langsam in Kohlenwasserstoffe umwandeln, sagt Olah. Wir können Mutter Natur ersetzen.

Olah betont, dass das so hergestellte Methanol kein neuer Energieträger wäre, sondern lediglich eine bequeme Möglichkeit, Energie zu speichern. Sein Vorteil gegenüber Wasserstoff wäre die Möglichkeit, vorhandene Motoren und Infrastruktur mit nur geringen Modifikationen zu nutzen.

Methanol ist mit seinen geringen Emissionen und einer Oktanzahl von 100 bereits in vielerlei Hinsicht ein besserer Kraftstoff für Verbrennungsmotoren als Benzin. Ein Methanolmotor kann mit einem höheren Verdichtungsverhältnis laufen und ist leichter zu kühlen. Aber Methanol hat einige Nachteile: Es hat einen niedrigeren Dampfdruck als Benzin, was Motoren beim Kaltstart träge macht, und es brennt mit einer unsichtbaren Flamme, was ein Sicherheitsrisiko darstellen könnte, da es für Rettungskräfte bei einem Unfall schwer zu erkennen wäre , zum Beispiel. Um diese Probleme zu mildern, wird Methanol heute normalerweise mit 15 Prozent Benzin vermischt, um eine Kraftstoffmischung namens M85 herzustellen.

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Methanol sei in Kombination mit der Brennstoffzellentechnologie ein noch besserer Kraftstoff für Autos, sagt Paul Erickson, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of California, Davis. Brennstoffzellen, die chemische Energie direkt in Strom umwandeln, sind effizienter als Motoren, die Kraftstoff verbrennen. Insbesondere die Wasserstoff-Brennstoffzelle wurde weithin als saubere und effiziente Alternative zu benzinbetriebenen Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Ericksons Labor verfügt über einen funktionierenden Wasserstoff-Brennstoffzellenbus mit einem Bordreaktor, der Methanol reformiert, um Wasserstoff für seine Brennstoffzellen zu produzieren. Wir vermeiden komplett die Speicherung von Wasserstoff, sagt Erickson.

Die Reformierung an Bord verbraucht jedoch Platz und Energie. 1993 erfanden Prakash, Olah, und ein Team des Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien, gemeinsam eine Brennstoffzelle, die direkt mit einer Mischung aus Methanol und Wasser betrieben wird. Die positiven und negativen Elektroden der Zelle sind durch eine Membran getrennt, die so konstruiert ist, dass nur Protonen aus dem Methanol von einer Elektrode zur anderen wandern können. Frühe Versionen dieser Membran ließen jedoch etwas Methanol passieren und mit Sauerstoff an der zweiten Elektrode reagieren, was die Spannung der Zelle verringerte und Energie in Form von Wärme verschwendete.

2001 entwickelten Prakash und seine Kollegen eine neue Membran, die sowohl billiger als auch widerstandsfähiger gegen Überkreuzung ist. Mit dieser Weiterentwicklung erreicht die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von 35 Prozent, etwa das Doppelte eines Verbrennungsmotors, aber deutlich unter dem theoretischen Wirkungsgrad von 97 Prozent.

Für den Einsatz in Pkw ist die Direktmethanol-Brennstoffzelle derzeit zu teuer. Seine hohen Kosten sind hauptsächlich auf das als Katalysatoren verwendete Platin und Ruthenium zurückzuführen. Prakash und andere entwickeln eine Vielzahl von Ansätzen, um die benötigte Katalysatormenge zu reduzieren: den Katalysator aktiver zu machen, seine Oberfläche zu vergrößern und nanoskalige Methoden zu verwenden. Wenn diese Technologie ausgereift ist, glaubt Erickson, dass sie die Wasserstoff-Brennstoffzelle ersetzen könnte. Eine kostengünstige Hochleistungs-Direktmethanol-Brennstoffzelle sei der Heilige Gral, sagt er.

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