„Wenn Sie Visionen haben, dann gehen Sie zum Arzt“ – dieser Satz stammt von Altkanzler Helmut Schmidt aus dem Bundestagswahlkampf 1980. Er wollte damit ausdrücken: Es zählen nur Lösungen, die sofort wirken. Doch heute, im Angesicht der Energiewende, braucht es nicht nur kurzfristige Antworten – es braucht Visionen für die Aufgaben, die mit einer Welt im Wandel erst noch entstehen. Eine solche Vision hat ein Team des Forschungszentrums Jülich. Es geht dabei um einen bislang unterschätzten, auf Wasserstoff basierenden Kreislauf, der größte Mengen Energie speichern kann. Dimethylether (DME) heißt die Vision.
Das Beispiel der Batterie zeigt, wie weit Visionen tragen können. Anfang der 1990er Jahre kamen Lithium-Ionen-Akkus erstmals auf den Markt – zu horrenden Preisen zwischen 3.000 und 8.000 US-Dollar pro Kilowattstunde. Wer damals behauptet hätte, dass der Preis bis 2025 unter 100 Euro fällt, dem wäre wohl tatsächlich ein Arztbesuch empfohlen worden. Heute sind Akkus ein Grundpfeiler der Energiewende – und sie werden kontinuierlich weiterentwickelt.
Es endet allerdings nicht mit der Batterie. Denn die Welt im Wandel braucht neue, besser skalierbare Lösungen, die da funktionieren, wo Batteriespeicher zu klein sind. Der weltweite Primärenergiebedarf wächst – in den Jahren 2000 bis 2025 um 50 Prozent. Dazu kommt das gigantische Vorhaben der Defossilisierung, das Umstellen auf eine Energiewirtschaft, die ohne den Ausstoß von Treibhausgasen in die Atmosphäre auskommt. Heute decken fossile Energien noch rund 80 Prozent des Primärenergiebedarfs ab. Die große Anstrengung liegt also noch vor den Menschen.
Bekannt aus der Spraydose
Am Forschungszentrum Jülich arbeitet das Institut für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft (INW) an einer Idee, die ebenso ambitioniert wie vielversprechend ist: Es will Dimethylether (DME) als Wasserstoff-Trägermolekül der Zukunft etablieren. DME ist leicht zu verflüssigen, sicher lagerbar, nicht toxisch und in bestehende Infrastrukturen integrierbar – zum Beispiel in Tanklager, Pipelines und Schiffe. Bereits heute findet er als Treibmittel in Spraydosen (Deodorant) Anwendung: In der Dose ist er flüssig, beim Sprühen verdampft er und verteilt den Wirkstoff.
In einer vielbeachteten Studie („Dimethylether/CO₂ – a hitherto underestimated H₂ storage cycle“, auf Deutsch „Dimethylether/Kohlenstoffdioxid (CO₂) – ein bislang unterschätzter Wasserstoff-Speicherzyklus“) untersuchte ein Forschungsteam um Prof. Peter Wasserscheid die Rolle von DME in einem möglichen Energiekreislauf. Das Besondere: DME kann effizient als Energiespeicher genutzt werden und anschließend wieder in Wasserstoff zurückverwandelt werden. So entsteht ein Kreislauf – gespeist aus grünem Strom, mit dem grüner Wasserstoff hergestellt wird. Und mit CO₂ als ständig wiederverwertetem Bestandteil, der nicht in die Atmosphäre gelangt, sondern im Kreis geführt wird.
Philipp Morsch, Teamleiter im von Prof. Andreas Peschel verantworteten Institutsbereich für Prozess- und Anlagentechnik, kennt der Größe der Aufgabe: „Der Weg dahin ist noch lang und einige Fragen müssen noch beantwortet werden. Aber wir sehen jetzt schon, dass er möglich und sinnvoll sein kann. Der Schlüssel ist die leichte Handhabbarkeit von DME.“ Denn grundsätzlich könnte jede Infrastruktur, die CO₂ lagern oder transportieren soll, auch für DME genutzt werden. Beide sind bei geringem Druck flüssig. CO₂ benötigt dazu ein Temperaturniveau von –20 Grad Celsius, DME hingegen nur Raumtemperatur. Damit eröffnen sich enorme Potenziale für Logistik, Speicherung und Rückführung. Dass DME und CO₂ so gut miteinander kompatibel sind, ist der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit.
Philipp Morsch, Teamleiter im von Prof. Andreas Peschel verantworteten Institutsbereich für Prozess- und Anlagentechnik
So funktioniert der Kreislauf
Der Kreislauf beginnt mit grünem Strom, meist aus Wind- oder Sonnenkraft. Dieser treibt die Elektrolyse an: Wasser wird in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Da der Strom grün ist, ist auch der Wasserstoff klimaneutral. In einer ersten Synthesestufe entsteht Methanol – ein etablierter Prozess, der allerdings heute noch meist auf fossilen Rohstoffen basiert. Ziel ist, künftig grünes Methanol aus grünem Wasserstoff und abgeschiedenem CO₂ zu gewinnen.
Im zweiten Schritt wird Methanol in einer bekannten Reaktion zu DME umgewandelt. Dabei verbinden sich zwei Methanolmoleküle zu CH₃OCH₃ (Strukturformel DME) und spalten Wasser ab. Diese Reaktion ist chemisch einfach umzusetzen, gut verstanden – und industriell schon lange Praxis.
Der produzierte DME wird dann per Schiff transportiert. Da er sich ähnlich wie CO₂ verhält, ist keine gesonderte Infrastruktur notwendig. Zielort sind beispielsweise unterirdische Salzkavernen, wie sie heute bereits zur Speicherung von Erdgas genutzt werden. Gleichzeitig entstehen erste Wasserstoff-Kavernen. „In einer DME-Kaverne kann das 14-Fache an Energie gespeichert werden im Vergleich zu einer Wasserstoff-Kaverne“, sagt Philipp Morsch. Und: DME ist – anders als Methanol oder Ammoniak – nicht giftig.
Der Import von DME per Schiff klingt zunächst aufwendig, ist aber wirtschaftlich bereits für andere wasserstoff-basierte Moleküle erprobt – etwa im Ammoniakhandel. Der Grund: In sonnen- und windreichen Regionen kann grüner Wasserstoff wesentlich günstiger produziert werden als in Deutschland. Der Preis für grünen Strom und damit der für grünen Wasserstoff dominiert den Preis für Ammoniak, Methanol oder DME. Gas wird auch im fossilen Energiesystem importiert. „Auch das Erdgas in unseren Kavernen stammt nicht aus Deutschland, sondern kommt per Pipeline oder Schiff“, sagt Philipp Morsch.
DME als strategisches Backup
Nach der Speicherung in einer Kaverne sind zwei Wege denkbar: Im ersten Szenario wird der DME in einem Reformer wieder in Wasserstoff und CO₂ aufgespalten. Der Wasserstoff lässt sich danach in einer separaten Wasserstoff-Kaverne zwischenlagern und bei Bedarf über eine Pipeline zur Nutzung weiterleiten – etwa für Brennstoffzellen, Gaskraftwerke oder die chemische Industrie. Besonders effektiv kann die Kombination aus DME-Kaverne, Reformer und Wasserstoff-Kaverne sein. „Die DME-Kaverne wäre so ein strategisches Backup für die Wasserstoff-Kaverne. Denn eine DME-Kaverne enthält so viel Wasserstoff wie 14 Wasserstoff-Kavernen“, beschreibt der Jülicher Forscher.
„Denkbar ist auch die lokale Nutzung von DME als LPG (Flüssiggas) Ersatz in Tanks beim Endkunden. Die Anforderungen, die LPG und DME an Lagerung und Verbrauch stellen, sind weitgehend identisch. LPG, also Propan- oder Butangas, kommt meistens in Regionen zum Einsatz, in denen die Anbindung an das Erdgasnetz lückenhaft ist. Laut dem Deutschen Verband Flüssiggas (DVFG) heizen rund 650.000 Haushalte in Deutschland mit Der zweite Weg wäre die direkte Nutzung des DME für die Strom- und/oder Wärmeerzeugung, etwa in einem Gaskraftwerk mit integrierter CO₂-Abtrennung, das speziell dafür ausgelegt ist. „Eine solche Nutzung gibt es zwar noch nicht, weil es den DME-Kreislauf noch nicht gibt. Aber jemand, der ein Gaskraftwerk bauen kann, der könnte auch ein DME-Kraftwerk bauen“, sagt Philipp Morsch.
Beide Varianten haben den Vorteil, dass sie entweder mit dem Reformer oder dem Kraftwerk über sogenannte Punktquellen für CO₂ verfügen – also Orte, an denen das entstehende CO₂ konzentriert aufgefangen und zurückgeführt werden kann. Der Kreislauf kann so geschlossen werden: Das CO₂ wird gespeichert, verschifft und zurück zur Synthese gebracht. Dort beginnt der Zyklus mit der DME-Synthese über den Zwischenschritt Methanol erneut.
Am Anfang steht die Idee
Die Vision vom DME-Kreislauf basiert auf bekannten Prozessen, nutzbarer Infrastruktur und einem klaren Ziel: große Energiemengen sicher, effizient und klimaneutral speichern. „Wir stehen noch nicht kurz davor, diesen Kreislauf aufzubauen“, sagt Philipp Morsch über den Stand der Forschung und der Technik. Beispielsweise bei der Anpassung der grünen Methanolsynthese an das schwankende Aufkommen an grünem Strom müssen noch Erfahrungen gesammelt und Wissen geschaffen werden. Und die Kavernebauer und -betreiber fangen gerade an, in ihrer Planung Platz für Wasserstoff zu machen. DME ist für sie allenfalls eine ferne Vision. Das muss kein Nachteil sein, solange Menschen mit konkreten Visionen für die Energie der Zukunft nicht zum Arzt gehen, sondern Wege in die Wirklichkeit suchen.
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