Methanolwirtschaft

Grundidee und Herstellung

Die Methanolwirtschaft ist ein hypothetisches, zukünftiges Modell der Energiewirtschaft. Methanol soll dabei auf allen Stufen – von Gewinnung und Speicherung über Transport und Handel bis zum Vertrieb – fossile Brennstoffe als primären Energieträger ersetzen und zum dominierenden Energieträger werden. Sie gilt als Alternative zur Wasserstoffwirtschaft. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass Methanol bei Raumtemperatur flüssig ist und deshalb leichter gespeichert und transportiert werden kann als Wasserstoffgas.

Technisch wird Methanol aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff hergestellt. Dieses Gemisch heißt Synthesegas und wird heute überwiegend aus Erdgas gewonnen. Für eine regenerative Methanolwirtschaft könnte der Kohlenstoff stattdessen aus atmosphärischem Kohlenstoffdioxid (CO₂) stammen; die benötigte Energie würde aus erneuerbaren Energiequellen oder auch aus Kernenergie kommen. Methanol könnte dadurch zugleich Energiespeicher, transportierbarer Kraftstoff und Ausgangsstoff für synthetische Kohlenwasserstoffe, Polymere und Einzelzellproteine sein.

CO₂ kann aus Verbrennungsabgasen oder direkt aus der Luft gewonnen werden. Abgase von Kraftwerken können bis zu 15 % CO₂ enthalten. Die Luft enthält dagegen nur 0,037 % CO₂, weshalb Direct Air Capture derzeit besonders teuer ist. Als mögliche Absorptionsmittel werden Kaliumhydroxid und Calciumcarbonat genannt; zur Freisetzung des gebundenen CO₂ ist jedoch viel Energie erforderlich.

Großtechnisch wird regeneratives Methanol vor allem aus vergärten Abfällen und Hausmüll als Bio-Methanol sowie aus erneuerbarem Strom als e-Methanol hergestellt. Die Produktionskosten betragen aktuell etwa 300 bis 1000 USD/t für Bio-Methanol, 800 bis 1600 USD/t für e-Methanol aus CO₂ erneuerbarer Quellen und 1100 bis 2400 USD/t für e-Methanol aus Direct Air Capture.

Nutzung und weltweite Produktion

Methanol und Folgeprodukte wie Dimethylether können als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren oder zur Stromerzeugung in Methanolbrennstoffzellen eingesetzt werden. Bestehende Motoren müssen dafür weiterentwickelt werden oder als Flexible Fuel Vehicles verschiedene Kraftstoffe nutzen können.

In Europa gibt es zahlreiche Demonstrations- und Produktionsvorhaben. Carbon Recycling International betreibt in Island eine Anlage mit einer Kapazität von über 4000 t/a e-Methanol aus CO₂ einer Geothermieanlage. OCI/BioMCN in den Niederlanden verfügt über mehr als 60.000 t/a Kapazität für regeneratives Methanol. In Deutschland erzeugte die MefCO₂-Demonstrationsanlage am Kraftwerk Niederaußem ab Mai 2019 eine Tonne Methanol pro Tag aus CO₂; das Produkt wurde zur Denitrifikation in einer Kläranlage verwendet. Weitere Projekte betreffen die Nutzung von Hüttenabgasen, Raffinerie-CO₂, CO₂ aus Zementwerken und Biomassekraftwerken. Siemens Energy nahm eine 50-MW-Elektrolyseanlage in Kassø bei Apenrade im Mai 2025 in Betrieb. Maersk bestellte acht Containerschiffe mit Methanol-Verbrennungsmotoren; deren Kosten sollten etwa 175 Mio. USD pro Schiff betragen und damit 10–15 % über denen normaler Containerschiffe liegen.

In Nordamerika produziert Enerkem in Kanada etwa 100.000 t/a regeneratives Methanol aus Hausmüll. Celanese kündigte für den Standort Clear Lake in Texas eine Methanolproduktion aus 180.000 t CO₂ pro Jahr an.

In Südamerika plant ein Konsortium aus Porsche, Siemens Energy, Enel, AME und ENAP in Chile Anlagen für erneuerbares Methanol aus Windstrom und CO₂ aus der Luft. Mit Unterstützung von ExxonMobil soll daraus weiterer synthetischer Kraftstoff hergestellt werden.

China erzeugt Methanol überwiegend aus Kohle und nutzt es als methanolreichen Kraftstoff, etwa M85 und M100, sowie zur Herstellung von Dimethylether. Für 2007 wird ein Spotpreis von etwa 40 % des Benzinpreises genannt. 2020 wurde dort die großtechnische Produktion regenerativen Methanols mit Sonnenenergie und einem 10-MW-Elektrolyseur demonstriert. Ende 2021 sollte in Henan eine Anlage mit 110.000 t/a zur Methanolproduktion aus CO₂ entstehen. 2020 wurden in China über 20.000 Taxis mit Methanol betrieben. In Shanxi gab es 1000 Tankstellen für M15 und 40 für M85 bis M100; bis 2025 sollten weitere 2000 Tankstellen umgerüstet und 200.000 Fahrzeuge angepasst werden. Eine Studie schätzt, dass die weltweite Methanolkapazität bis 2027 um 55,8 Mio. t wachsen könnte, davon 38 Mio. t für Kraftstoff.

Anwendungen und Infrastruktur

Methanol kann über bestehende oder leicht umgerüstete Benzininfrastruktur gespeichert, transportiert und verteilt werden. Dadurch lassen sich große Entfernungen zwischen Erzeugern erneuerbarer Energie und Verbrauchern überbrücken. Die Energiespeicherdichte beträgt etwa 50 % der Speicherdichte von Benzin und Diesel.

In der Europäischen Union darf Methanol bis zu 3 % dem Benzin beigemischt werden. Über das Verfahren Methanol to Gasoline kann daraus Motorenbenzin entstehen. Dimethylether kann als Ersatz für Dieselkraftstoff dienen. Weitere Folgeprodukte sind synthetisches Benzin und Polyoxymethylendimethylether (OME), das in konventionellen Dieselfahrzeugen eingesetzt werden kann.

Bei Brennstoffzellen wird zwischen der Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) und der indirekten beziehungsweise Reformer-Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) unterschieden. Eine DMFC eignet sich bis zu einer elektrischen Leistung von 0,3 kW. Bei höheren Leistungen ist eine RMFC effizienter und kostengünstiger, weil Methanol zunächst in einem Reformer in ein wasserstoffhaltiges Gas umgewandelt wird. Diese Umwandlung ist bei Temperaturen unter 280 °C möglich.

Typische Anwendungen sind Fähren, Rennwagen, Motorräder und Fahrzeuge mit Reformer-Methanol-Brennstoffzellen. Methanol kann außerdem als Reinigungsmittel für hochreine Oberflächen dienen. Industrie-Methanol nach dem IMPCA-Standard besitzt eine Reinheit von über 99,85 %.

Kosten und Wirkungsgrade

Methanol ist nach den angegebenen Vergleichswerten günstiger als Wasserstoff. Für Großmengen kostet fossiles Methanol einschließlich Mehrwertsteuer etwa 0,3 bis 0,6 EUR/L. Die energieäquivalente Menge von 0,13 kg fossilem Wasserstoff kostet etwa 1,2 bis 1,3 EUR; an Wasserstofftankstellen werden 9,5 EUR/kg genannt. Bei Lieferung von 960 L in einem IBC-Container kostet fossiles Methanol etwa 0,5 bis 0,7 EUR/L, Biomethanol 0,7 bis 2,0 EUR/L und e-Methanol aus CO₂ 0,8 bis 2,0 EUR/L, jeweils zuzüglich IBC-Pfand. Mittelgroße Mengen Wasserstoff kosten für dieselbe Energiemenge etwa 5 bis 12 EUR zuzüglich Flaschenmiete.

Für 10.000 Tankstellen werden die Kosten der Methanolinfrastruktur auf etwa 0,45 bis 1,7 Mrd. EUR geschätzt, für Wasserstoffinfrastruktur auf etwa 14 bis 1200 Mrd. EUR. Bei methanolbetriebenen Verbrennungsmotoren entstehen gegenüber Benzinmotoren keine signifikanten Zusatzkosten. Ein Methanolbrennstoffzellen-Pkw kann gegenüber einem Wasserstoffbrennstoffzellen-Pkw je nach Produktionsmenge Zusatzkosten von etwa −500 bis 2000 EUR verursachen.

2021 lag der Wirkungsgrad der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse bei etwa 75 bis 85 %, mit einem Potenzial von 93 % bis 2030. Die Methanolsynthese aus Wasserstoff und CO₂ erreichte 79 bis 80 %. Daraus ergibt sich für Methanol aus Strom und direkt verfügbarem CO₂ ein Wirkungsgrad von etwa 59 bis 68 %, bei Direct Air Capture 50–60 %. In einer Methanolbrennstoffzelle werden 35 bis 50 % elektrischer Wirkungsgrad erreicht. Der Gesamtwirkungsgrad von Strom über e-Methanol bis zur Stromerzeugung in der Brennstoffzelle beträgt etwa 21 bis 34 % beziehungsweise 18 bis 30 % bei CO₂ aus Direct Air Capture.

Werden Prozess- oder Abwärme genutzt, können deutlich höhere Gesamtwirkungsgrade erreicht werden: bis zu 86 % bei Nutzung der Abwärme aus Elektrolyse und Methanolsynthese sowie 70 bis 80 % bei umfassender Abwärmenutzung einschließlich Brennstoffzelle. Der elektrische Systemwirkungsgrad beträgt bei RMFC etwa 40 bis 50 %, bei NT-PEMFC-Wasserstoffbrennstoffzellen etwa 40 bis 55 %. In einem Vergleich lag der elektrische Gesamtwirkungsgrad des Methanolpfads bei 23 bis 38 % und des Wasserstoffpfads bei 24 bis 41 %.

Vorteile und Grenzen

Methanol besitzt bezogen auf Volumen und Gewicht eine hohe Energiespeicherfähigkeit im Vergleich zu Wasserstoff. 6 Liter Methanol mit einem Gewicht von etwa 5 kg enthalten ungefähr so viel Energie wie eine 200-bar-Wasserstoffflasche mit etwa 55 L Behältervolumen und 70 kg Gewicht. 17 Liter Methanol entsprechen ungefähr dem Energieinhalt eines üblichen 700-bar-Wasserstofftanks mit 60 L Behältervolumen. 50 kg Methanol in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit 45 % elektrischem Wirkungsgrad entsprechen der elektrischen Energie eines NCA-Akkus mit etwa 600–700 kg Gewicht.

Methanol verbrennt sauber und nahezu vollständig, erzeugt im Verbrennungsmotor keinen Feinstaub und kann geringere Stickoxid- sowie VOC-Emissionen aufweisen. Wegen der höheren Oktanzahl können Wirkungsgrad, Leistung und Beschleunigung höher sein als bei Benzinmotoren. Methanol ist von −97 °C bis +65 °C flüssig, biologisch leicht abbaubar und benötigt keine Druckgasbehälter. Es kann aus Hausmüll wettbewerbsfähig hergestellt werden. Der theoretische Wirkungsgrad der Synthese aus Wasserstoff und CO₂ beträgt 85 %, gegenüber 78 % bei der Methansynthese.

Nachteile sind die derzeit oft fossile Herstellung, die hohen Energiekosten der Wasserstofferzeugung und die gegenüber Benzin halbierte Energiedichte. Bei e-Methanol ist der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad niedriger als bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Methanol kann Aluminium angreifen, wirkt nicht schmierend, stark entfettend und korrosiv. Es kann bei Kälte Startprobleme verursachen, Kunststoffe für Kraftstoffdämpfe durchlässiger machen und gelartige Ablagerungen bilden. Die Flamme ist unsichtbar; als Flüssigkeit kann Methanol bei Lecks eine größere Brandgefahr darstellen.

Methanol ist giftig. Sein Abbau kann über Formaldehyd und Ameisensäure zur metabolischen Azidose und schlimmstenfalls zum Tod führen. Außerdem kann aus unterirdischen Tanks austretendes Methanol relativ schnell ins Grundwasser gelangen; diese Gefahr ist jedoch nicht vollständig untersucht.