Methanol ist eine der vielen chemischen Substanzen, die eine große Bedeutung für unseren Alltag haben, sich der Wahrnehmung aber weitgehend entziehen. Als Basischemikalie ist Methanol ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie und damit ein Baustein für die Herstellung von vielen Produkten des täglichen Bedarfs. Darüber hinaus kommt Methanol als Energieträger zum Einsatz und hat das Potenzial, in Zukunft eine größere Rolle für eine klimaneutrale Energieversorgung zu übernehmen.

Reines Methanol wurde erstmals im Jahr 1661 von dem britischen Chemiker und Physiker Robert Boyle als Zersetzungsprodukt bei der Destillation von Buchsbaumholz gewonnen. Daher wurde es zunächst als Holzgeist oder Holzalkohol bezeichnet. Nachdem im Jahr 1834 französischen Forschern die Bestimmung der Struktur des Methanolmoleküls gelang, prägte sich der Begriff Methylalkohol. Methanol ist heute eine global gehandelte und sehr gefragte Basischemikalie. Nach Schätzungen des Methanol Market Services Asia (MMSA) wurden im Jahr 2022 weltweit knapp 106 Millionen Tonnen Methanol hergestellt. In den Jahren 2017 bis 2022 ist die Produktionsmenge um rund 16 % gestiegen.

Methanol – ein einfacher Alkohol mit günstigen Eigenschaften

Methanol ist für viele Anwendungsbereiche gut geeignet, weil es sehr günstige physikalisch-chemische Eigenschaften besitzt. Es zählt zu den organischen Alkoholen und besitzt mit einer Methyl-Gruppe (CH3) und einer Hydroxy-Gruppe (OH) im Vergleich zu anderen Alkoholen eine einfache chemische Struktur. Methanol ist eine farblose Flüssigkeit, brennbar, wasserlöslich und verdunstet leicht. Es ist sehr gut speicherbar und transportierbar. Zusammen mit Luft bilden Methanoldämpfe in Konzentrationen von 6 bis 50 Vol-% ein Gemisch, das sich bei Temperaturen von etwa 450°C entzünden kann. Obwohl Methanol leicht biologisch abbaubar ist, ist dieser Alkohol giftig für viele Organismen. Dennoch ist die Handhabung von Methanol nicht komplizierter oder gefährlicher als die von Benzin.

 Herstellungspfade für Methanol und seine Folgeprodukte zur energetischen Nutzung

Herstellung von Methanol – graue Moleküle können grün werden

Für die in der chemischen Industrie und energetischen Verwendungen benötigten Mengen an Methanol existieren großtechnische Herstellungsverfahren. Weit überwiegend werden dabei Erdgas (CH4) (Europa und Nordamerika) oder Kohle (China und Südafrika) als Rohstoffe eingesetzt. Die Methanolsynthese aus Erdgas erfolgt durch die Dampf-Reformierung zusammen mit Wasser im Nieder- und Mitteldruckverfahren. Dabei werden Erdgas und Wasser zu einem Synthesegas bestehend aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt, aus dem anschließend in einem katalytischen Prozess Rohmethanol entsteht. Dieses ist noch mit verschiedenen Nebenprodukten verunreinigt, aber für energetische Nutzungen ist die Qualität in der Regel ausreichend. Die chemische Industrie braucht dagegen für die Weiterarbeitung reineres Methanol, so dass noch eine zusätzliche Aufbereitung in einer Destillation erforderlich ist. Der größte Methanol-Produzent in Europa ist das französische Mineralölunternehmen TotalEnergies, das in seiner Raffinerie Mitteldeutschland in Leuna rund 700.000 Tonnen Methanol pro Jahr herstellt.

Europäische Unternehmen sind nach den Klimaschutzvorgaben der EU dazu verpflichtet bis 2030 55% ihrer Treibhausgasemissionen zu vermeiden. In Deutschland ist das Klimaschutzziel mit einer Reduzierung von 65% der Treibhausgase bis 2030 sogar noch anspruchsvoller. Darum befinden sich alternative Herstellungspfade auf Basis erneuerbarer Energieträger in der Entwicklung, mit denen sogenanntes „grünes“ Methanol klimaneutral herstellbar ist. Einer dieser Pfade ist die Produktion von Methanol aus Wasserstoff (H2) und Kohlendoxid (CO2) aus erneuerbaren Quellen, was auch als Power-to-Liquid (PtL) bezeichnet wird. Der Wasserstoff kann durch die Elektrolyse von Wasser (H2O) erzeugt werden, indem die dafür benötigte Energie durch klimaneutral erzeugten Strom aus Wind- oder Sonnenenergie bereitgestellt wird.

Das Klimagas CO2 für die Herstellung von Methanol zu verwenden, mag auf den ersten Blick im Widerspruch zu den Klimazielen stehen. Wenn das CO2 aber durch Vergärungsprozesse aus Siedlungsabfällen oder Biomasse gewonnen wird oder durch eine Carbon Capture-Technologie aus der Umgebungsluft gefiltert wird, stammt es aus dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf und wird bei der energetischen Verwendung von Methanol auch wieder in den Kreislauf zurückgeführt. In diesem Fall gelangt also kein zusätzliches CO2 fossiler Herkunft in die Atmosphäre.

Eine weitere Option für die Verwendung von CO2 bei der PtL-Produktion sind sogenannte Punktquellen. Dabei handelt es sich um Punkte, an denen CO2 aus Abgasen industrieller Produktion (z.B. Stahlwerken, der Kalk- und Zementindustrie) in großen Mengen anfällt und durch Filtrationsverfahren aufgefangen, für verschiedene Anwendungen genutzt und gespeichert werden kann (Carbon Capture, Utilisation and Storage, CCUS). Bei diesen Punktquellen handelt es sich heute in der Regel noch um Abgase aus der Verwendung fossiler Energieträger, so dass man von einer Kaskadennutzung des CO2 sprechen kann. Sofern dieses CO2 für die Herstellung langlebiger Produkte genutzt wird, ist es der Atmosphäre für die Lebensdauer der Produkte entzogen.

Wie die Synthese von grünem Methanol in der Praxis funktionieren kann, untersucht beispielsweise TotalEnergies seit 2021 im Chemiepark Leuna gemeinsam mit Partnern in dem Forschungsprojekt e-CO2Met. In dem Projekt entwickeln die Forschungspartner eine Pilotanlage, in der grüner Wasserstoff aus einer Hochtemperatur-Elektrolyse und CCUS von CO2 aus anderen Produktionsprozessen für die Methanolsynthese eingesetzt werden können. Mit wissenschaftlicher Begleitung sollen das Elektrolyse- und das Syntheseverfahren weiterentwickelt werden.

Methanol – ein Baustein zur Herstellung vielfältiger Alltagsprodukte in der chemischen Industrie

Methanol ist ein wichtiger Baustein für die Herstellung vielfältiger Produkte und Anwendungen des täglichen Lebens. In der chemischen Industrie wird es überwiegend als Syntheserohstoff eingesetzt. Sie wandelt Methanol in Formaldehyd, Kohlenwasserstoffe oder Methylamin um. Formaldehyd ist ein Zwischenprodukt für die Herstellung von Formalin, Sperrholz, Klebstoffen, Harzen, Dämmmaterialien und vielen anderen Stoffen. Darüber hinaus wandelt die chemische Industrie Methanol zu Essigsäure, Ameisenaldehyd und anderen wichtigen chemischen Verbindungen. Aus Methanol gewonnenes Methylamin ist ein Vorprodukt zur Herstellung von Arznei- und Pflanzenschutzmitteln. Darüber hinaus ist Methanol auch ein Ausgangsprodukt für die Herstellung von Gefrierschutz-, Enteisungs-, Wasch- und Desinfektionsmitteln, Lösungsmitteln, Sprengstoffen, Kunststoffen und Kunstfasern sowie Farbstoffen. Außerdem ist Methanol ein Einsatzstoff bei der Veresterung von Biodiesel.

Herstellungspfade für Methanol und seine Folgeprodukte zur stofflichen Nutzung

Methanol-zu-Olefinen

Ethylen und Propylen sind zwei sehr gebräuchliche Chemikalien, die von der petrochemischen Industrie für die Herstellung vieler Kunststoffprodukte genutzt werden. Sie zählen zur Gruppe der leichten Olefine und werden hauptsächlich aus Naphta, einem Produkt der Erdölverarbeitung, hergestellt. Mit steigenden Ölpreisen sind aber auch andere Ausgangsstoffe wie Methanol, Flüssiggas und Ethan für die Herstellung leichter Olefine ökonomisch interessant geworden. Seit etwa 2010 ist die Nachfrage nach Methanol für die Herstellung von Olefinen auch durch die Kommerzialisierung des Methanol-zu-Olefin-Verfahrens (Methanol-to-Olefins, MTO) deutlich gestiegen. 2022 wurde nach Schätzung des MMSA etwa ein Drittel des hergestellten Methanols zu Olefinen weiterverarbeitet. Im MTO-Verfahren entsteht durch katalytische Umsetzung aus flüssigem Methanol über das Zwischenprodukt Dimethylether ein Gemisch der beiden Gase Ethen und Propen. Ethen und Propen werden in der chemischen Industrie hauptsächlich zur Herstellung von Kunststoffen wie Polyethylen und Polypropylen verwendet. Da Methanol sowohl aus fossilen als auch erneuerbaren Rohstoffen herstellbar ist, ist das MTO-Verfahren auch für die klimaschonende, umweltverträgliche und energiesparende Produktion von Chemikalien (grüne Chemie) geeignet.

Methanol zu Aromaten

Aromaten, insbesondere Benzol, Toluol und Xylol, sogenannte BTX-Verbindungen, sind wichtige chemische Grundstoffe für die Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen, Parfüm, Arzneimitteln, Sprengstoffen, Tensiden und synthetischen Kautschuken. Insbesondere die Herstellung von Kunststoffen (Polymeren) aus Aromaten ist ein bedeutender Markt mit hohen Wachstumsraten. Die Herstellung von Aromaten basiert auf Erdöl, indem das daraus gewonnene Naphtha durch Dampfreformierung verarbeitet wird. Um ihre Herstellung von fossilen Rohstoffen zu entkoppeln, bedarf es neuer Verfahren, die beispielsweise auf grünem Methanol als Rohstoff basieren.

Das Methanol-zu-Aromaten-Verfahren (MTA) gilt als vielversprechender Weg zur Herstellung von aromatischen Rohstoffen. Im MTA-Verfahren kann sowohl Methanol fossile (Erdgas, Kohle) als auch aus nicht fossilen Kohlenstoffquellen wie Biomasse, Abfall oder Strom und CO2 zu Aromaten verarbeitet werden. Im Gegensatz zum industriell bereits gebräuchlichen Methanol-zu-Olefin-Verfahren (MTO) befinden sich die meisten MTA-Studien noch im Labormaßstab. In jüngster Zeit wurden einige MTA-Demonstrationsanlagen erfolgreich in Betrieb genommen, was auf die Bedeutung und die allmähliche industrielle Reife dieser Technologie hinweist. Es gibt jedoch noch viele grundlegende Fragen und technologische Herausforderungen, die angegangen werden müssen.

Methanol als Energieträger

Neben der Verwendung als Basischemikalie wird Methanol auch als Energieträger für den Antrieb von Autos, Bussen, Nutzfahrzeugen und Schiffen genutzt. Dabei kann unterschieden werden nach der direkten Nutzung von Methanol und der Weiterverarbeitung von Methanol zu hochwertigen Energieprodukten. Etwa 20% des weltweit hergestellten Methanols werden im Energiebereich eingesetzt. Als flüssiger Kraftstoff kann es in der vorhandenen Tankinfrastruktur problemlos gelagert und transportiert werden.

Direkte Nutzung in Motoren und Brennstoffzellen

Bei der Verbrennung von Methanol entstehen deutlich weniger Schadstoffemissionen wie Ruß (PM), Stickoxide (NOx) und Schwefeloxide (SOx) als bei herkömmlichen Ottokraftstoffen. Als Kraftstoff hat Methanol im Vergleich zu herkömmlichem Benzin eine höhere Oktanzahl, was zu einer besseren Klopffestigkeit führt. Damit ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis von Methanol und Luft im Motor zu erhöhen, was zu einer effizienteren und damit schadstoffärmeren Verbrennung führt. Dies kann zu einer Verbesserung der Luftqualität beitragen. Sofern grünes Methanol als Kraftstoff eingesetzt wird, kann die Verwendung als weitgehend klimaneutral betrachtet werden. Gebräuchlich ist Methanol als Kraftstoff in asiatischen Ländern, vor allem in China, wo Tankstellen auch bereits reines Methanol (M100) im Angebot haben. Aber auch Serien-Pkw, Lastwagen und Busse mit Methanolantrieb sind dort keine Seltenheit.

In Deutschland und Europa ist Methanol als Kraftstoff nicht gebräuchlich. Hier hat sich Bioethanol als Kraftstoffalternative in vielen Ländern durchgesetzt, meist in Beimischungsanteilen von 5 bis 10% zum herkömmlichen Superkraftstoff. Gemeinsam ist Methanol und Ethanol als Kraftstoff, dass die meisten Ottomotoren auf Beimischungsanteile von maximal 15 bis 20 Prozent ausgelegt sind. Für höhere Beimischungsanteile sind technische Veränderungen an den Motoren erforderlich, weil Methanol und Ethanol die in kraftstoffführenden Systemen verwendeten Kunststoffe und Metalle angreifen und zu Schäden führen können. FlexFuel Fahrzeuge, die ab Werk aufgrund von technischen Modifikationen am Motor auch Beimischungsanteile von bis zu 85% Ethanol vertragen, konnten sich in Deutschland nicht durchsetzen. Zu beachten ist bei beiden Kraftstoffen auch, dass sie im Vergleich zu Benzin und Diesel einen um etwa 50% geringeren Heizwert je Liter haben. Das bedeutet in der Praxis, dass bei höheren Beimischungsanteilen die Reichweite sinkt.

Methanol als Brennstoff für die kommerzielle Schifffahrt

Die Vorteile, die Methanol für den straßengebundenen Verkehr bietet, lassen sich auch in der Schifffahrt erschließen. Emissionsarme Verbrennung, unbedenklicher Einsatz selbst in Emissionskontrollgebieten mit strengsten Vorschriften, Erfüllung von Klimaschutzvorgaben durch den Einsatz von grünem Methanol, sichere Handhabung, relativ geringe Umrüstkosten für den Methanoleinsatz in der Technik von Bestandsschiffen und geringer Aufwand für die Anpassung der Hafenlogistik (Lager- und Bunkerinfrastruktur) sind einige der Argumente, die das Interesse von Reedereien an Methanol für ihre Schiffsflotten wachsen lassen. Die Internationale Schifffahrtsorganisation (International Maritime Organization, IMO) hat 2020 Methanol als Schifffahrtbrennstoff in ihre vorläufigen Richtlinien aufgenommen und damit der Verwendung von Methanol einen Schub gegeben. Die führende Klassifizierungsgesellschaft für die Schifffahrt, De Norske Veritas (DNV), hat Sicherheitsrichtlinien für die Verwendung an Bord von Schiffen erstellt, die die Schiffstechnik und die Handhabung des Kraftstoffs regeln.

Methanol als Stromspeicher

Die Erzeugung von regenerativem Strom basiert in Deutschland hauptsächlich auf Wind- und Sonnenenergie (Photovoltaik). Wenn an wind- und sonnenreichen Tagen die regenerative Stromerzeugung die Nachfrage übersteigt, kann der überschüssige Strom nicht genutzt werden, weil es bislang an Energiespeichern mangelt. Um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden, wird die Stromerzeugung in diesem Fall abgeregelt. Das heißt, sofern der Strom nicht für die Bereitstellung von Fernwärme genutzt werden kann, müssen Windkraftanlagen zeitweise außer Betrieb genommen werden.

Eine Möglichkeit zur Nutzung des Überschussstroms ist, ihn in andere Energieträger zu wandeln, wie zum Beispiel Methanol, das damit zu einem Energiespeicher wird. Die Technologie für die Herstellung von grünem Methanol ist dafür ebenso vorhanden, wie die zur Rückverstromung. Dafür eignen sich beispielsweise stationäre Verbrennungsmotoren oder Methanol-Brennstoffzellen, die einen höheren Wirkungsgrad als motorische Verfahren haben. Sie können an Tagen mit geringerem regenerativen Stromangebot Methanol wieder in Strom wandeln, ins Stromnetz einspeisen und so den Nachfrageüberhang zumindest teilweise decken und gleichzeitig die Stabilität des Stromnetzes stützen, das sich stets in einem Gleichgewicht befinden muss.

Verarbeitung von Methanol zu hochwertigen Energieprodukten

Die direkte Nutzung von Methanol kann je nach Anwendung Vorteile bringen, schöpft aber noch nicht die vollen Potenziale aus, die dieser Energieträger bietet. Durch die Weiterverarbeitung von Methanol zu hochwertigen Energieprodukten lassen sich technische und leistungsbezogene Potenziale erschließen, etwa für aufgeladene Motoren oder als Flugkraftstoff, die letztlich auch zu geringerem Verbrauch und weniger Emissionen führen können.

Methanol-to-Gasoline – ein Ottokraftstoff der Zukunft?

Um die technischen und leistungsbezogenen Probleme von Methanol in Fahrzeugmotoren zu umgehen, wird in Deutschland derzeit an der Entwicklung des neuen Kraftstoffs Methanol-to-Gasoline (MtG) erfolgreich geforscht. Für die Herstellung von MtG wird grünes Methanol weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen, so dass ein klimaneutraler, emissionsarmer und hochoktaniger Kraftstoff entsteht. Darüber hinaus ist MtG drop-in-fähig, das heißt in beliebigen Beimischungsanteilen zu Benzin und sogar als Reinkraftstoff ohne technische Änderungen an Fahrzeugen nutzbar.

Da Methanol aus Kohlenwasserstoffen besteht, eignet es sich auch zur Herstellung von Kraftstoffzusätzen, sogenannten Additiven, wie Methyl-Tertiär-Butyl-Ether (MTBE). MTBE dient in konventionellen Ottokraftstoffen zur Erhöhung der Oktanzahl und damit der Klopffestigkeit von Benzin. Dies führt bei entsprechender Motortechnik zu einer Steigerung des Wirkungsgrads und damit zusammenhängend zu geringeren Emissionen.

Methanol-to Jet

Aus grünem Methanol kann durch Prozesse der Weiterverarbeitung nachhaltiger Flugkraftstoff Sustainable Aviation Fuel (SAF), ein Ersatz für mineralölbasiertes Kerosin hergestellt werden. Das Verfahren heißt Methanol-to-Jet (MtJ) und wird derzeit von unterschiedlichen Unternehmen und Institutionen erforscht und entwickelt, wie zum Beispiel Exxon Mobil, Swedish Biofuels AB und in KEROSyn100, einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Forschungsprojekt in Deutschland. Die Technologie des Verfahrens unterscheidet sich je nach Anbieter, muss aber zu einem Produkt führen, das der ASTM-Norm für Flugkraftstoffe entspricht. Beispielsweise im MtJ-Prozess von KEROSyn100 wird Methanol in den drei Stufen MtO (Methanol-to-Olefins), OtJ (Olefins-to-Jet fuel) und das Hydrofinishing, eine abschließende Behandlung mit Wasserstoff, zu Jet Fuel verarbeitet. Als Neben- und Koppelprodukte des MtJ-Verfahrens entstehen unter anderem Diesel, Benzin, LPG, Heizgase und Wasser. Das Ziel der Projektpartner ist die Entwicklung einer MtJ-Demonstrationsanlage auf dem Betriebsgelände der Raffinerie Heide in Norddeutschland, die mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird.

Methanolderivate – Oxymethylenether und Dimethylether

Aus Methanol können auch Oxymethylenether (OME) und Dimethylether (DME) hergestellt werden. Beide sind potenziell als Kraftstoffe geeignet, wobei OME für Dieselmotoren und DME in gasbetriebenen Otto- sowie in Dieselmotoren einsetzbar ist. OME verbrennt als Kraftstoff in Dieselmotoren sehr sauber ohne Feinstaubausstoß, allerdings ist die Herstellung sehr aufwändig und wenig effizient. Anwendungstechnische Untersuchungen haben ergeben, dass OME in höheren Beimischungsanteilen zum konventionellen Diesel nicht der Dieselkraftstoffnorm EN590 entspricht. Da OME außerdem nicht mit den herkömmlichen im Fahrzeugbau verarbeiteten Materialien kompatibel ist, kann es nur in engen Grenzen konventionellen Kraftstoffen beigemischt werden.

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von DME sind denen von Flüssiggas (Liquefied Petroleum Gas, LPG) sehr ähnlich. DME ist bei Umgebungstemperaturen gasförmig und wird unter geringem Druck flüssig. Daher kann es wie LPG gelagert und transportiert werden. Grünes DME kann LPG, das als Nebenprodukt der Erdöl- und Erdgasförderung anfällt, ersetzen und damit klimaneutral verwendet werden. DME ist wie LPG sowohl als Kraftstoff („Autogas“) als auch zum Heizen und Kochen sowie vielen anderen stofflichen Anwendungen, zum Beispiel als Treibgas in Spraydosen, geeignet. Die Verwendung von DME ist sogar als Substitut für Dieselkraftstoff technisch möglich, aber derzeit noch nicht gebräuchlich. Vorbereitungen zu einer Markteinführung laufen sowohl in Europa als auch Nordamerika.

Ausblick auf die Herstellung von grünem Methanol

Die Herstellung von Methanol, als zentralem Baustein für die Herstellung von Produkten in der chemischen Industrie, basiert heute weit überwiegend auf der Nutzung der fossilen Energieträger Erdgas und Kohle. Verfahren zur Methanolherstellung aus erneuerbaren Energieträgern sind größtenteils noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung und haben teilweise das Stadium von Demonstrations- beziehungsweise Pilotanlagen erreicht. Der nächste Entwicklungsschritt wäre die Skalierung dieser Anlagen auf großtechnische Maßstäbe für die industrielle Herstellung von grünem Methanol.

Ob grünes Methanol künftig in Deutschland produziert werden kann, ist heute noch nicht abzusehen. Es bleibt abzuwarten, unter welchen Rahmenbedingungen Unternehmen tragfähige Geschäftsmodelle entwickeln können, die zu einem Aufbau großtechnischer Produktionsanlagen führen. Es wäre Untersuchungen zufolge durchaus realistisch, grünes Methanol an ausgewählten globalen Standorten mit günstigeren klimatischen Bedingungen für die erforderlichen erneuerbaren Energien zu produzieren und von dort nach Deutschland zu exportieren. Da der Aufbau von Anlagen in industriellem Maßstab etwa vier bis sechs Jahre dauern würde, wäre allerdings nicht vor 2030 mit nennenswerten Mengen an grünem Methanol für den Einsatz in der chemischen Industrie oder energetischen Anwendungen zu rechnen.