Erste industrielle Power-to-Gas-Anlage der Schweiz

Gemeinsam mit acht Schweizer Energieversorgern und der Stadtwerke-Allianz Swisspower gibt Limeco Gas: Sie betreibt die erste industrielle Power-to-Gas-Anlage der Schweiz, mit der sich pro Jahr 18 Gigawattstunden synthetisches Gas produzieren lassen, und zwar direkt vor Ort in Dietikon. Ein Leuchtturmprojekt in der Energiewende.

Die Mikroorganismen im Bioreaktor produzieren grünes Gas in Form von Methan.

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Erneuerbares Gas aus Abfall und Abwasser?

Das geht, und zwar mit der Power-to-Gas-Technologie: Bei der Reinigung des Limmattaler Abwassers entsteht Klärschlamm, der in einem Faulungsprozess Klärgas produziert, bestehend aus zwei Dritteln Methan und einem Drittel Kohlendioxid. Gleichzeitig produziert Limeco aus der Verbrennungswärme der KVA Strom. Der wird für die Elektrolyse genutzt, die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Etwas Klärschlamm wird mit den darin enthaltenen Mikroorganismen in einen Bioreaktor gepumpt, in den das Klärgas und der Wasserstoff eingedüst werden. Nun kommen die Mikroorganismen zum Einsatz, die sich von Wasserstoff und Kohlendioxid ernähren und Methangas ausscheiden. Reines Methangas kann so ins Gasnetz eingespeist werden. Durch die Verbrennung von grünem Gas anstelle von fossilen Energieträgern sinken die jährlichen CO₂-Emissionen um rund 5000 Tonnen.

Wir gehen gemeinsam voran: Das Leuchtturmprojekt Power-to-Gas auf dem Areal von Limeco.

So funktioniert Power-to-Gas

Die Umwandlung von erneuerbarem Strom zu grünem Gas erfolgt in drei Schritten: Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff, Methanisierung durch Mikroorganismen und Reinigung des Gases zur Einspeisung ins Gasnetz.

Der erneuerbare Strom aus der KVA wird genutzt, um Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) zu spalten – die sogenannte Elektrolyse.

Die Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, sowie einer protonendurchlässigen Membran (Proton-Exchange-Membran PEM). Zwischen den beiden mit Edelmetall beschichteten Elektroden wird eine Gleichspannung angelegt. Die Elektrolysezelle wird mit aufbereitetem, vollentsalztem Trinkwasser (H₂O) versorgt, das durch die katalytische Wirkung des Edelmetalls elektrochemisch in seine Einzelteile zerlegt wird.

Die Wasserstoffprotonen diffundieren durch die protonendurchlässige Membran, wo sie zusammen mit den Elektronen, die über den Stromkreislauf zur Kathodenseite wandern, zu Wasserstoff (H₂) kombiniert werden. Der anodenseitig gebildete Sauerstoff (O₂) wird im Projekt von Limeco vorerst noch nicht verwertet und übers Dach abgeblasen.

Durch die Aneinanderreihung vieler Elektrolysezellen entsteht ein Zellstapel, auch als Elektrolysestack bezeichnet. Die beiden in der Power-to-Gas-Anlage eingesetzten Elektrolysesysteme verfügen über eine elektrische Leistungsaufnahme von je 1,25 Megawatt.

Die von der Elektrolyse abgeführte Wärme wird im Regiowärmenetz von Limeco genutzt, was den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht.

Die biologische Methanisierung beruht auf der Aktivität spezieller Mikroorganismen, sogenannter Archaeen, die Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂) zu Methan (CH₄) und Wasser (H₂O) umwandeln. Dieser unter Sauerstoffausschluss ablaufende, wärmeabgebende Prozess wird als Methanogenese bezeichnet.

Durch die Einstellung günstiger Betriebs- und Milieubedingungen innerhalb des Methanisierungsreaktors werden hohe Umsatzraten an Methan erreicht. Bevorzugt wird ein leicht saures bis alkalisches Milieu mit pH-Werten von 6,8 bis 8,5 und einer Temperatur von 55 bis 70 Grad Celsius.

Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid werden dem Methanisierungsreaktor unter Druck kontinuierlich zugeführt. Während der Wasserstoff aus dem Elektrolyseur bereits unter Druck zur Verfügung steht, muss das Klärgas auf den Betriebsdruck des Methanisierungsreaktors verdichtet werden. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffdioxid wird kontinuierlich geregelt, sodass nach Umsetzung im Tank das Kohlenstoffdioxid nahezu verbraucht ist. Einzigartig an diesem Projekt ist, dass das Klär oder Rohgas, bestehend aus Methan, Kohlenstoffdioxid und Spuren weiterer Gase, unbehandelt in den Methanisierungsreaktor eingebracht wird. In diesem geschlossenen System ist ein emissionsfreier Betrieb (kein Methanverlust) von der Vergärung bis zur Einspeisung möglich.

Im Normalbetrieb muss dem Prozess kontinuierlich Wärme entzogen werden, um das Temperaturniveau im Reaktor zu halten. Dies geschieht, indem ein Faulschlammstrom aus dem Reaktor abgezogen und in einem Schlamm-Wasser-Wärmetauscher gekühlt wird – diese Wärme kann ebenfalls im Regiowärmenetz von Limeco genutzt werden. Das bei der Umsetzung gebildete Wasser wird periodisch mit dem «verbrauchten» Faulschlamm ausgeschleust. Im Gegenzug werden durch periodische Zugabe von Faulschlamm aus der ARA Mikroorganismen, Nährstoffe und bei Bedarf prozessstabilisierende Stoffe zugeführt.

Damit das erneuerbare Gas die Vorgaben für die Einspeisung ins Gasnetz erfüllt, wird es anschliessend gereinigt. Unter anderem muss sichergestellt sein, dass darin nicht mehr als zwei Prozent Wasserstoff enthalten sind.

Das Produktgas aus der Methanisierung enthält mehrere Begleitgase, die vor der Einspeisung ins Gasnetz entfernt werden müssen.

Gasförmiges Ammoniak wird in einer Waschkolonne abgetrennt. Als Waschwasser für die Kolonne wird gereinigtes Abwasser verwendet, das am Kopf und somit im Gegenstrom zum Gas eingesprüht wird. Zudem wird das Gas mit Aktivkohlefiltern entschwefelt und von Schwermetallen befreit.

Vor der Einspeisung ins Gasnetz trennt eine Membrananlage den vorhandenen Restwasserstoff ab. Der abgetrennte, an Wasserstoff angereicherte Gasstrom wird dem Klärgas vor der Verdichtung wieder zugeführt. Sollte das Gas die Einspeisequalität nicht erreichen, zirkuliert es im System bis zum Erreichen der Einspeisebedingungen.

Das Produktgas ist geruchlos. Um die vorgeschriebene Geruchsintensität vor der Einspeisung ins Gasnetz sicherzustellen, wird Odoriermittel zugegeben.

Schlüsseltechnologie für erneuerbares Gas

«Entscheidend ist, dass die Schweiz unabhängiger wird von ausländischem Erdgas. Die Power-to-Gas-Anlage zeigt, dass inländische Produktion von erneuerbarem Gas möglich ist», sagte Benoît Revaz, Direktor des Bundesamts für Energie (BFE), an der Einweihungsfeier der Power-to-Gas-Anlage im April 2022. Das Projekt wurde vor dem Hintergrund der nationalen Energiestrategie 2050 realisiert, das den Atomausstieg, die Reduktion von Treibhausgasen und den Ausbau von erneuerbaren Energien vorsieht. Es soll aufzeigen, wie Power-to-Gas-Anlagen die erneuerbare Stromproduktion ergänzen und dabei wirtschaftlich betrieben werden können.

Herzstück von Limecos neuer Power-to-Gas-Anlage: der Einbau des Bioreaktors.

Ein Novum in der Schweiz, gefördert von Bund und Kanton

Bund und Kanton haben das Potenzial der Power-to-Gas-Anlage erkannt und wollen die Weiterentwicklung solcher nachhaltiger Energiesysteme beschleunigen. Das Projekt wird vom Bundesamt für Energie (BFE) im Rahmen seines Pilot- und Demonstrationsprogramms und vom Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kanton Zürichs (AWEL) gefördert.

Einweihung der Power-to-Gas-Anlage mit Regierungsrat Martin Neukom und Benoît Revaz, Direktor Bundesamt für Energie