Methanol

Der Alkohol Methanol im Umfeld erneuerbarer Energien und der Brennstoffzelle

Methanol ist eigentlich ein fossiler Treibstoff auf Kohlenwasserstoffbasis, der heutzutage meist aus Öl oder aus Kohle hergestellt wird. Der Alkohol hat eine sehr einfache chemische Struktur, die auch effizient hergestellt werden kann, außerdem läßt es sich leicht lagern, transportieren und verwenden. Methanol ist außerdem ein exzellenter Treibstoff. Man kann ihn mit Benzin vermischen und er hat wesentlich bessere Eigenschaften als Ethanol.

Die ‚chemische Entdeckung’ des Methylalkohols erfolgte 1823 durch die Kondensation der Verbrennungsgase von Holz, als eine Flüssigkeit entstand, die als Lösungsmittel und Chemiegrundstoff für Farben und Kunststoffe eingesetzt wurde. Heute wird Methylalkohol hauptsächlich als Frostschutzmittel und Betriebsstoff für Flugzeugmodellmotoren eingesetzt.

Ab Ende des 18. Jahrhunderts bis ca. 1920 wurde Methanol fast ausschließlich durch trockene Destillation (Pyrolyse) von Holz in Abwesenheit von Sauerstoff (Holzgeist) hergestellt, danach aus Synthesegas (CO/H2 und CO2/H2 aus der Kohlevergasung) mittels Hochdruckhydrierung. Die erste großtechnische Synthese von Methanol gelingt BASF im Jahre 1922.

Früher auch ‚Holzsprit’ genannt, ist Methanol ebenso als Diethyl-Alkohol und giftige Variante des Trinkalkohols bekannt. Besonders aus heimischer Kohle schon in Millionen-Tonnen-Quantitäten produziert (im Kohleverflüssigungs- und -destillationsverfahren bei 50 – 100 bar und 200°C – 300°C durch katalytische Niederdruckhydrierung an Cu-Katalysatoren), soll er nun in verstärktem Maße auch als Synthesegas aus Erdgas oder aus kohlenstoffhaltigen Abfällen hergestellt werden. Eines der vielen mit seiner Herstellung verbundenen Forschungsvorhaben hängt auch mit der Nutzung von Kernkraft­-Prozeßwärme zu seiner Produktion zusammen.

Zwar liegt der Heizwert von Methanol niedriger, dafür liegt aber seine Oktanzahl mit 125 wesentlich höher als die von Superbenzin mit einer Oktanzahl von 99. Außerdem kommt dieser Treib­stoff, was Lagerung und Verteilung angeht, dem Benzin am allernächsten; im Vergleich zu allen anderen synthetischen Kraft- und Treibstoffen sind seine Herstellungskosten auch die wirtschaftlichsten.

Die Anwendung kann im Reinbetrieb oder als 10 – 15%ige Beimischung zum Benzin erfolgen, Automotore können daher schrittweise umgestellt werden. Positiv ist außerdem, daß die Abgase des Methanols zwar mehr Wasser, dafür aber keinen Ruß, kaum Blei oder Benzol beinhalten, die Mengen des Kohlenmonoxids, der Stickoxide und der Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls stark reduziert.

Anzumerken ist noch, daß sich Methanol auch sehr gut zur Speicherung von Abwärme aus Industrieprozessen eignet. 1998 hatten japanische Physiker eine entsprechende Methode entwickelt, auf die ich unter ‚Wärmeenergie’ bzw. ‚Energiespeicherung’ zu sprechen komme.

Und noch einen weiteren, entscheidenden Vorteil hat der Alkohol: Er ist im Gegensatz zu Benzin bei Unfällen mit Wasser zu löschen. Nicht zuletzt deshalb ist er ein beliebter Treibstoff bei den Autorennen in den USA.

Trotz dieser Vorteile scheint das Methanol kaum Freunde zu haben, denn die Ergebnisse meiner Recherchen sind nicht gerade üppig zu nennen.

Methanol in ausgewählten Ländern

Methanol in der Bundesrepublik Deutschland

Neben Studien wie ‚Alternative Kraftstoffe für Kraft­fahrzeuge’ zum Beispiel, an der 15 Institutionen beteiligt sind, die vom TÜV Rheinland koordiniert werden, unterstützt das BMFT auch Versuchsreihen wie den ‚M 15’ – Versuch in Berlin. M 15 ist der Markenname des Gemischs von 15 % Methanol und 85 % Benzin, das im Rahmen eines Großversuchs 1975 und 1976 in 45 Testwagen ausprobiert wird (Golf, VW-Transporter, Audi 100). Für den Versuch werden in Berlin und im Bundesgebiet 50 Tankstellen eingerichtet, und es werden etwa 1,5 Mio. km ‚erfahren’. Die Kosten tragen das BMFT (2,8 Mio. DM) und VW (0,7 Mio. DM).

Mitte 1979 beginnt eine weitere Versuchsreihe, an der schon 600 Wagen verschiedenster Marken beteiligt sind. Eine Hälfte besteht aus Taxis, Senatswagen und Fahrzeuge der KFZ-Organisationen im Einsatz, die andere Hälfte wird mit 15%igem Rabatt als Anreiz an private ‚Kooperanden’ verkauft. Der Versuch läuft über 4 Jahre.

Die Ergebnisse zeigen, daß es im Betrieb keine gravier­enden Probleme gibt, obwohl meist mehr als ein Startver­such nötig ist. Der Betrieb mit ‚M 15’ ist nicht teurer, dafür aber weniger ‚energievoll’ als der reine Benzinbetrieb. Allerdings entstehen auch weniger Abgase und das Ge­misch erfordert kein Anti-Klopf-Mittel.

In Berlin beginnt 1981 dann die erste Versuchsreihe mit reinem Methanol als Kraftstoff (‚M 100’). Wieder sind neben Taxiunternehmen auch Privatfahrer beteiligt, und insgesamt kommen 150 Wagen der Marken VW und Mercedes zum Einsatz. Im Unterschied zu normalen Benzinern wurden an den Methanolautos folgende Änderungen vorgenommen:

• Heizelemente wärmen den Treibstoff vor,
• das Tankvolumen wurde auf 136 l vergrößert,
• ins Auspuffsystem wurde zur Minderung der Schadstoffe und Geruchsbelästigung ein spezieller Filter eingebaut,
• Einspritzdüsen, Kraftstoffleitungen, Pumpen und Tank wurden aus Spezialmetallen gefertigt, da sonst übliche Materialien vom Methanol zerfressen werden.

Am 15. August 1981 wird in Westberlin außerdem der erste mit Methanol angetriebene Omnibus im Linienverkehr eingesetzt.

Auch für den Kraftwerksbetrieb Methanol ist geeignet. In Heilbronn soll ein erstes Werk für kombinierten Öl/Methanol-Betrieb gebaut werden sein; das erforderliche Methanol wird aus Pflanzenresten separiert.

Zwischen 1984 und 1989 fördert das BMFT das Pilotprogramm Methanolkraftstoff mit rund 7,3 Mio. DM. Dabei werden 100 Pkw und zwei Busse erprobt, deren Gesamtfahrleistung mehr als 100.000 km beträgt. Die Ergebnisse im Einzelnen:

• Methanol kommt als zukünftiger Kraftstoff primär für Ottomotoren in Frage, mit entsprechenden Zündhilfen auch für Dieselmotoren.
• Durch ein günstiges Verbrennungsverhalten des Methanols wird der Energiedichteunterschied gegenüber dem Benzin teilweise wieder kompensiert.
• Es entstehen vergleichsweise weniger Schadstoffe, bei Methanol-Dieselmotoren wurde eine fast vollständige Vermeidung von Partikelemissionen erreicht.

1998 stellt Mercedes-Benz ein Brennstoffzellen-Auto vor (s.d.), bei dem als Wasserstoff-Lieferant Methanol vorgesehen ist. Getestet und für gut befunden wird dabei auch das aus Klärschlamm und Hausmüll erzeugte Methanol des Sekundärrohstoff Verwertungszentrum Schwarze Pumpe (SVZ), einer 100%igen Tochter der Berliner Wasserbetriebe. Eine Tonne Müll ergibt 200 kg Schlacke, der Rest wird zu Methanol umgewandelt. Ab 2000 will man dort jährlich 120.000 t des Alkoholtreibstoffes produzieren.

Methanol in Frankreich

Mir ist nur bekannt, daß hier bereits 1981 eine entsprechende Methanolstudie in Auftrag gegeben worden ist.

Japan und Methanol

Auf Asiens größte Messe für Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik, der Ceatec in Tokio, zeigt Hitachi 2005 ein Handy, das mit einer methanolgespeisten Brennstoffzelle betrieben werden kann (s.d.).

USA und Alkohol als Treibstoff in Form von Methanol E85

Bei einem Symposium, das von dem privaten Forschungsunternehmen Batelle gemeinsam mit dem amerikanischen Handelsministerium veranstaltet wird, spricht sich der Präsident der Northwest Airlines dafür aus, ein mit Methan betriebenes Überschall-Passagierflugzeug zu entwickeln, das in einer Höhe von 33 km und mit mach 5 – also 5.400 km/h schnell fliegt. Als Argument zählt natürlich, daß sich Methan gefahrlos transportieren und tanken läßt.

Durch Regierungseinkäufe – besonders für die Armee­ – soll die Produktion von synthetischen Treibstoffen mit 3 Mrd. $ subventioniert werden. 1979 kostet das Barrel Methanol 28 $, die Fahrzeuganschaffungs-Mehrkosten be­tragen 5 – 10 %.

Das Produktionsziel für 1990 lautet 2 Mio. Barrel täglich. Wegen den herrschenden Abgasbestimmungen müssen die not­wendigen Katalysatoren auf Edelmetallbasis aufbauen, d.h. Platin oder Palladium. U.a. versucht deshalb die Mobil Oil Co., ein bleifreies Superbenzin aus Methanol herzustel­len, doch der Literpreis ist derzeit noch etwa doppelt so hoch wie der von Standard-Benzin (Stand 1978).

Außerdem wird in den USA versucht, mittels dem ‚Molecular-Engineer­ing’ eine Veränderung der Kristallstruktur bisheriger Katalysatoren zu bewirken, die aus der Gruppe der Zeolithe stammen und in Alkali-Tonerde-Silikat vorkommen. Dadurch könnten möglicherweise einige grundlegende Schwierigkeiten bei der Methanol-Herstellung überwunden werden.

Der Chemie-Nobelpreisträger des Jahres 1994, George Olah, will aus dem Treibhausgas CO2 den Grundstoff für eine neue, Methanol-basierte Wirtschaft machen, statt zu versuchen es unterirdisch oder auf dem Seeboden loszuwerden. Olah gehört zu den Miterfindern der direkten Methanol-Brennstoffzelle, die Methanol verwendet und dafür CO2 und Wasser produziert. Bei seiner Arbeit stellt fest, daß man diesen Prozeß auch umkehren kann: Man nimmt CO2 und Wasser und reduziert beides mittels elektrischem Strom chemisch zu Methanol.

Nicht zu vergessen sind die Methanol Dragster – mit denen in den USA heftige Rennen gefahren werden. Die Wagen erreichen eine derart hohe Beschleunigung, daß sie bei der Zieldurchfahrt mit bis zu 400 km/h mittels Bremsfallschirmen gestoppt werden müssen.

Grenzen der Nutzung von Alkohol-Treibstoffen

Der französische Agronom René Dumont nennt die Verwendung von Agrarprodukten als Treibstoffe die „Energie der Hoffnungslosen“!

2006 werden weltweit rund 2.010 Mio. t Getreide geerntet, während Bedarf auf etwa 2.060 Mio. t steigt – Experten zufolge auch Aufgrund der Nachfrage nach Ethanol. Die UN-Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) warnt daher für 2007 vor einer Abnahme der Getreidevorräte um rund 10 % – während das in den USA ansässige ‚Earth Policy Institute’ von Lester Brown den Treibstoff auch für höchst ‚unwirtschaftlich’ hält: „Das Getreide, das man zum Füllen eines 80-Liter-Tanks benötigt, kann einen Menschen ein Jahr lang ernähren.“ Doch je mehr Ethanol nachgefragt werde, desto höher würden die Getreidepreise steigen, fürchtet Brown: „Und das ist für die zwei Milliarden ärmsten Menschen der Welt lebensbedrohlich.“ Der Deutschen Welthungerhilfe zufolge sind heute weltweit 852 Millionen Menschen unterernährt.

Grenzen der Nutzung von Ethanol (Äthanol)

Da der Energiegehalt von Ethanol nur etwa die Hälfte dessen von Benzin ausmacht, ist ein doppelt so großer Tank erforderlich, will man die gleiche Reichweite haben. Dies bedeutet aber auch das doppelte Gewicht.

Soll z.B. Brasilien energetisch autark werden, so müßte es etwa 17 Mio. Hektar, das ist die Hälfte der 1980 kultivierten Fläche, rein für den Zuckerrohranbau nutzen. Neben den bekannten Problemen bei Monokulturen gibt es als Resultat auch eine schwere Wasserverschmutzung durch die anfallende Schlempe, die nur zu selten zu Dünger weiter­verarbeitet wird.

Biokraftstoffe aus Weizen, Zuckerrüben oder Kartoffeln stoßen mehr Schwefeldioxide aus als Benzin. Beim Düngen der Felder mit Stickstoff wird unter anderem Lachgas frei, was in frühen Untersuchungen nicht berücksichtigt wurde. Dieses Gas ist ein viel stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Der intensive Anbau der Energiepflanzen beschleunigt auch die Eutrophierung: Seen und Teiche kippen, weil sie mit zusätzlichen Stickstoffverbindungen überladen werden.

In Mitteleuropa ist das Klima für einen großangelegten Anbau – besonders von ertragreichem Mais und Zuckerrohr – zu schlecht, einzig die heimischen Rüben könnten infrage kommen. Außerdem ist die nutzbare Fläche in der Bundes­republik laut Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft in Braunschweig viel zu klein.

Neben der bisherigen Erfahrung, daß zur Ethanol-Herstel­lung derzeit noch eine zwei- bis dreifache Energiemenge aufgewendet werden muß, ist eine Anwendung auf nationaler Ebene so lange auch nicht sinnvoll, solange man ihn nicht auch woanders bekommt.

Die durchschnittliche Anlagenerstellzeit von etwa 2 Jahr­en bildet nicht das große Problem, weit schwerer wiegt da schon die Warnung, daß die weltweite Nahrungsversorgung zusammenbrechen könnte, wenn die USA, Kanada oder Austra­lien im großen Stil Energie-Landwirtschaft betreiben würden, anstatt wie bisher ihre Überschüsse auf dem Weltmarkt zu verkaufen.

Die Schwedische Forstverwaltung befürchtet, daß sich die zusätzliche Ausbeutung der Wälder als Biomasse-Lieferant für Ethanolfabriken und die damit verbundene Kultivierung innerhalb der kommenden 100 Jahre verheerend auf die Waldfauna und insbesondere die Waldvögel auswirken könnte.

Grenzen der Nutzung von Methanol (Methylalkohol)

Auch Methanol ist nicht so energiehaltig wie Benzin, den Kraftfahrzeugen mangelt es daher oft an Beschleunigungsvermögen.

Im Vergleich zum Benzin bedarf ein Methanol-Wagen zur Erzielung gleicher Reichweiten. einen doppelt so großen Tank, was auch mit einer entsprechenden Gewichtszunahme gekoppelt ist.

Zu Methanol-Synthese sind ferner große Wasserstoffmengen notwen­dig, neue Anlagen und Verfahren sind erforderlich.

Da der Siedepunkt des Methanols schon bei 63°C liegt, ist ein Starten ohne Anlaufphase nicht möglich, und besonders bei Temperaturen unter 8°C Außentemperatur ist ein zwei­ter Starttreibstoff notwendig (z.B. Gasöl). 1978 betrugen die Kosten für einen Liter Methanol das 1,8-fache des da­maligen Benzinpreises, es wurde erwartet, daß sich dieses Verhältnis sich nur lang­sam ändern wird.

Die größte Schwierigkeit bildet wohl die Aggressivität des Methanols – es zerfrißt so gut wie alle Metalle. Die notwendigen Katalysatoren haben daher eine nur kurze Lebensdauer und ihre ursprüngliche Wirkung verschlechtert sich auch sehr schnell. Ein 20%iger Leistungsverlust bei bis zu 30%iger Verbrauchserhöhung sind das Resultat. Der Wechsel der Katalysatoren kostete 1975 etwa 100 Dollar pro Zylinder. Außerdem kann Methanol auch durch handelsübliche Schutzkleidung aus Gummi oder Kunststoff dringen.

Methanol besitzt eine hohe Aldehydemission, die aller­dings durch die Zumischung von 10 – 12 % Wasser stark reduziert werden kann. Auch treten Partikel- und Sulfatemissionen auf, welche gesundheitsgefährdend sein sollen. 1985 wurde in Kalifornien festgestellt, daß die aus Methanol und Formaldehyd bestehenden Abgase zum Teil über eine Woche lang als Schwebstoffe in der Luft nachzuweisen waren, was wesentlich länger ist als bei den Kohlenwasserstoffen der Benzinabgase.

Eingeatmet verursacht Methanol schon in geringen Mengen Benommenheit, Schwindel und Kopfschmerzen. Breits ab einer Dosis von 5 ml – etwa einem Schnapsglas – kann es bei Verschlucken tödlich wirken. Außerdem kann es über die Haut aufgenommen werden. Methanol wird als Listenstoff der Berufskrankheit BK 1317 aufgeführt, die Polyneuropathie oder Enzephalopathie durch organische Lösungsmittel oder deren Gemische betrifft. Demnach sind chronische Vergiftungen durch fortgesetzte Einwirkung kleinerer Mengen möglich. Die folgen können Sehstörungen oder andere Schädigungen des zentralen Nervensystems sein. Als Konsequenz skandinavischer Untersuchungen chronischer Gehirnschädigungen wurde Methanol als Lösungsmittel von Lacken und Klebstoffen für den Haushaltsbedarf europaweit verboten. Und auch sonst muß es mit dem Symbol ‚Totenkopf’ gekennzeichnet werden…