Dimethylether – Große Chance für regeneratives Heizen?

Dimethylether rückt zurzeit in den Fokus großer Gasunternehmen und gilt als Hoffnungsträger – oder zumindest realistische Alternative – unter den potenziellen Ersatzstoffen für fossile Energieträger. Im Kampf gegen den Klimawandel setzen immer mehr europäische Länder auf Öl- und Gasheizungsverbote im Neubau und forcieren sukzessive den Einsatz regenerativer Energien und die Abkehr von klimaschädlichen Brennstoffen. In Deutschland gilt, laut Koalitionsvertrag, dass jede neu verbaute Heizung ab dem 01. Januar 2025 mit einem Anteil von 65% erneuerbarer Energien betrieben werden muss. Im Gebäudebestand verfehlte Deutschland die angesetzten Klimaziele bereits in den Jahren 2020 und 2021 deutlich und die Prognosen für 2022 und 2023 sehen diesbezüglich ähnlich düster aus. Der Druck auf fossile Energieträger nimmt indes immer weiter zu, die meisten Heizungsanlagen im Bestand sind hierzulande allerdings noch gas- oder ölbetrieben. In Deutschland wurden 2021 nach Schätzung des BDEW (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.) im Wohnungsbestand 74,3 % aller Wohnungen in Deutschland mit Gas oder Öl betrieben. Nach Erhebungen des Schornsteinfegerhandwerks 2020 sind in Deutschland noch mehr als 5 Millionen Ölheizungen in Betrieb, zusätzlich zu fast 14 Millionen Gasheizungen.
Eine mögliche Brennstoff Alternative, die zumindest Flüssiggasheizungen in absehbarer Zeit umweltverträglich machen könnte, wird im Moment genauer unter die Lupe genommen: regenerativ hergestellter Dimethylether, der in seinen Stoffeigenschaften teilweise dem Propan ähnelt und als Biokraftstoff eingesetzt werden könnte.

Was ist Dimethylether und wofür wird es eingesetzt?

Dimethylether (auch DME abgekürzt) ist unter Normalbedingungen ein farbloses Gas, das leicht etherisch riecht und hochentzündlich ist. Es entstand früher üblicherweise als Nebenprodukt der Hochdruck-Methanolsynthese, wird heutzutage allerdings über separate DME-Anlagen in einem Niederdruck-Verfahren gewonnen. Man kann es aber auch direkt aus Synthesegas gewinnen, einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Üblicherweise werden zur Synthesegasherstellung große Mengen Erdgas oder Kohle, teilweise aber auch Rohöldestillate verwendet. Interessant ist, dass sich Synthesegas und damit auch DME regenerativ aus Biomasse und sogar nur aus Energie, Wasser und Kohlendioxid herstellen lässt. Derart regenerativ hergestellter Dimethylether (oder rDME) ist dementsprechend gänzlich CO2-neutral und könnte zukünftig Verwendung als alternativer Brennstoff finden.

Grafik mit verschiedenen regenerativen Herstellungsmoeglichkeiten von regenerativen Dimethylether aus Biomasse und Synthesegas

Regenerativ hergestelltes rDME wird gemäß Biokraftstoffrichtlinie 2003-30-EG als Biokraftstoff eingestuft und könnte eine Möglichkeit darstellen, den Ausstieg aus den rein fossilen Brennstoffen zu beschleunigen und die Übergangsphase etwas klimafreundlicher zu gestalten. DME wird heutzutage noch zu einem großen Teil als Grundchemikalie in der chemischen Industrie verwendet und dort zu weiteren Chemikalien weiterverarbeitet, unter anderem zu Dimethylsulfat. Zusätzlich wird es als Treibgas in Sprühdosen verwendet.

Im asiatischen Raum wird DME teilweise schon jetzt mit bis zu 20% in LPG (Liquified Petroleum Gas, üblicherweise Propan und oder Butan) beigemischt, regenerativ hergestellt ist dieses DME allerdings nicht. Diese Gasmischungen werden dort allerdings vornehmlich zum Betrieb von Straßenküchen oder kleineren Brennern verwendet und üblicherweise nicht zum Heizen von Wohngebäuden.

Im direkten Vergleich zum Propan fallen jedenfalls ein paar Gemeinsamkeiten auf.

Eigenschaften Dimethylether Propan
Dichte (flüssig, 0 °C) 0,67 kg/l 0,53 kg/l
Relative Dichte (Luft) 1,6 1,55
Heizwert (kg) 8,02 kWh / kg 12,87 kWh / kg
Heizwert (l) 5,37 kWh / l 6,82 kWh / l
Zündtemperatur 226 – 240 °C 470 °C
Zündgrenze in Luft 3 – 32 Vol-% 2 – 11 Vol-%

In der direkten Gegenüberstellung fällt auf, dass DME einen geringeren Heizwert als Propan hat, es erreicht, bezogen auf den Heizwert pro Liter, nur ca. 78% des fossilen Brennstoffs. Eine geringere Zündtemperatur und höhere Zündgrenzen machen es zudem etwas volatiler als Propan. Es lässt sich bei geringerem Druck als Propan verflüssigen, bei 20 °C wird DME schon bei 5,1 bar flüssig, bei Propan sind es 8,4 bar. Aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften ließe es sich also durchaus in bestehende Flüssiggasanlagen einführen, die Materialverträglichkeit wird derzeit allerdings noch erforscht.

Mit einer Cetanzahl von 55 – 60 entspricht die Zündwilligkeit von DME nahezu exakt der von Dieselkraftstoff (51 – 56), was es auch als regenerativen Diesel-Ersatzkraftstoff interessant macht. Um sich als solcher zu eignen, müssten die Motoren allerdings umgebaut und neue Tanks verbaut werden. Als Dieselersatz könnte sich rDME dann allerdings durchaus eignen. Aller Voraussicht nach wäre das wahrscheinlich allerdings eher eine Lösung für Betriebshoftankstellen als für den Privatanwender und seinen PKW, da eine großflächige DME-Tankstelleninfrastruktur fehlt und es derzeit fraglich ist, ob es dafür überhaupt genügen Anwender geben würde.

Regenerative Synthese von DME und Bio-LPG

Bei der Herstellung von regenerativem Dimethylether benötigt man als Basis die Grundstoffe für Synthesegas, Kohlenstoff und Wasserstoff. Als Kohlenstoffquellen können hier Biogas aus Biomasse oder Kohlendioxid dienen. Wasserstoff wird unter Zugabe von Strom mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen. In den ersten Prozessschritten unterscheiden sich die Bio-Flüssiggas und rDME Gewinnung nicht voneinander. Als Basis dient beiden regenerativ erzeugtes Synthesegas, aus dem dann in unterschiedlichen Verfahren wahlweise rDME oder Propylen erzeugt werden können.

Im Unterschied zum Bio-Flüssiggas muss das rDME nach dem Schritt der Synthese allerdings nicht noch weiter aufbereitet werden, was zusätzliche Energie und damit Herstellungskosten spart.

Grafik zur Synthese von rDME und Bio-LPG auf Kohlenstoff und Wasserstoff Basis mit verschiedenen Zwischenschritten

Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft schätzt die Produktionskosten von rDME auf etwa 9 – 26 ct/kWh, Bio-LPG liegt bei ca. 12,5 – 30 ct/kWh. Diese Preise sind immer noch sehr hoch, relativieren sich allerdings ein wenig durch die hohen Rohstoffpreise der letzten Zeit. Rechnet man zusätzlich die steigende CO2-Bepreisung auf die fossilen Brennstoffe, könnte regenerativ hergestelltes rDME möglicherweise zu einer Alternative werden. Ein entscheidender und nicht zu vernachlässigender Faktor bei den Herstellungskosten ist allerdings der Strompreis. Die „Power-to-X“ Technologie ist üblicherweise auf günstigen, regenerativen Strom für die Wasserstoff-Elektrolyse angewiesen, andernfalls sind die Umwandlungsverluste in der Regel schnell unwirtschaftlich.

Weltweit gibt es inzwischen mehrere Projekte, die sich mit der regenerativen Produktion von DME beschäftigen. Einer der größten Produzenten ist derzeit das amerikanische Unternehmen Oberon Fuels, die mit Biogas aus Lebensmittelabfällen und Gülle rDME produzieren. Laut dem Unternehmen ergibt sich daraus eine tägliche Produktionskapazität von etwa 45.000 Litern. Bis zum Ende des Jahres 2022 ist geplant, Staplergas (Propan) mit einem DME Anteil von 5% auf den Markt zu bringen.

Europäische rDME-Projekte

In Europa gibt es jüngst auch größere Bestrebungen, das Potenzial von rDME nutzbar zu machen. Zwei große Unternehmen, die SHV Holdings N.V. und UGI haben im Juni 2021 ein Joint Venture angekündigt, dessen erklärtes Ziel es ist, mittels Herstellung und Verwendung von rDME erneuerbare Lösungen für die Flüssiggasbranche voranzutreiben. Mit einem Investitionsvolumen von bis zu 1 Milliarde Euro ist geplant, bis 2027 sechs rDME-Produktionsstätten mit einer Jahresproduktion von bis zu 300.000 t zu eröffnen. Im Dezember 2021 erteilte die EU-Kommission ihre Genehmigung für das Projekt.

In Schweden läuft seit Jahren ein Projekt, bei dem aus Abfällen der Zellstoffindustrie (Schwarzlauge) rDME gewonnen wird. In Zusammenarbeit mit Volvo wird dort die Verwendung von rDME als Dieselersatzstoff erforscht.

Bis das Gas tatsächlich eingesetzt werden kann, dürfte es allerdings noch dauern. So gibt es zurzeit noch keine Infrastruktur zur großflächigen regenerativen Produktion, auch wenn sich die grundlegende Verfahrenstechnik nicht groß von der fossilen DME-Herstellung unterscheidet. Zum Anderen ist auch noch nicht klar, inwiefern sich rDME in bestehenden Flüssiggasanlagen verwenden lässt.

Umrüstung von Bestandsanlagen auf rDME wahrscheinlich notwendig

Ausgehend von der unterschiedlichen Polarität von Propan und DME geht man derzeit davon aus, dass es zu Problemen mit Dichtungen und Membranen kommen könnte, die bei der Verwendung von Flüssiggas im Einsatz sind. Anhand der Polarität von chemischen Stoffen kann man Rückschlüsse auf deren Lösungsmitteleigenschaften ziehen, üblicherweise gilt das sich polare Stoffe in polaren Lösungen lösen und umgekehrt unpolare in Unpolaren. Werkstoffe, die beständig gegenüber dem unpolaren Propan waren, löst das polare DME möglicherweise schneller auf. Bestehende Flüssiggasanlagen müssten bei einer rDME Einspeisung eventuell nachgerüstet werden, die Langzeitfolgen werden zurzeit erforscht.

Ein möglicher Verwendungsansatz: Flüssiggas anteilig mit rDME mischen

Aufgrund der voraussichtlich vorerst geringeren Mengen von rDME auf dem Markt bietet sich die Überlegung an, rDME als Biokraftstoff-Komponente in Flüssiggas zu mischen. So würde der fossile Brennstoff etwas „grüner“ und unter Umständen Umweltschutz- beziehungsweise Klimaschutzvorgaben erfüllen, die reines Flüssiggas nicht erreichen würde.

Ein potenzielles Problem bei der Mischung beider Gase ist allerdings die unterschiedliche Dichte der jeweiligen Stoffe. Füllte man beide in einen Flüssiggastank, würde eine schwerere, DME-reiche Schicht in der flüssigen Phase absinken, während sich das leichtere Propan weiter oben ansammelt. Direkte Sonneneinstrahlung auf den oberen Bereich des Gastanks dürfte den Effekt noch zusätzlich verstärken.

Im Gegensatz zu Propan gilt DME auch als schwach wassergefährdend, es wird in der Wassergefährdungsklasse 1 gelistet und dürfte im Gegensatz zum Propan nicht in Überschwemmungsgebieten verwendet werden. Zusätzlich müssten gemäß AwSV unterirdische Anlagen doppelwandig gebaut sein.

Bei der Verbrennung entsteht etwas mehr CO2 als beim Propan (242g/kWh zu 232 g/kWh), im Falle von regenerativ hergestelltem rDME läge der netto CO2 Ausstoß allerdings ohnehin bei 0. Gleichzeitig verbrennt das Gas sehr sauber und es entstehen sehr wenig Feinstaub und Stickoxide und praktisch kein Ruß.

Die Vor- und Nachteile von rDME

Grundsätzlich bietet rDME bei derzeitiger Lage realistische Möglichkeiten, ein „grünes“ Flüssiggas zu Preisen zu erzeugen, die der Markt akzeptieren könnte. Bislang war das aufgrund günstiger fossiler Brennstoffe nicht anzunehmen, die jüngsten Energiepreis-Entwicklungen haben allerdings vielerorts zu einem Umdenken geführt. Gerade in Bestandsgebäuden, die auf absehbare Zeit noch mit Flüssiggasheizung betrieben werden und sich der Umstieg auf eine Wärmepumpe möglicherweise nicht lohnt, könnte der Biokraftstoff als prozentualer Anteil erneuerbarer Energie interessant sein. Eine entsprechende Umrüstung von Flüssiggasheizungen wäre jedenfalls deutlich günstiger als der großflächige Austausch und Ersatz dieser Heizungen. Viele Heizungsbauer sind schon jetzt langfristig ausgelastet, manche geben für Wärmepumpen inzwischen Lieferzeiten von mehr als einem Jahr an. Bei der derzeitig unklaren Versorgungslage und immer weiter steigenden Rohstoffpreisen ist eine deutliche Entspannung auf dem Markt vorerst eigentlich nicht zu erwarten.

Einigen Vorteilen stellen sich aber auch Nachteile entgegen, vorrangig die mittelfristig geringe Verfügbarkeit. Laut Jahresbericht 2019 der BAFA wurden in Deutschland 1.690.000 t Flüssiggas zur Energieversorgung verwendet. Würde man diese, beim geringeren Energiegehalt von rDME, gleichwertig ersetzen wollen, bräuchte man 2.712.000 t rDME. Ausgehend von einer geplanten Jahresproduktion von 300.000 t des Joint Ventures von SHV und UGI bis 2027, entspräche deren gesamte rDME-Produktion einem regenerativen Anteil von 11,06 % des derzeit benötigten Gesamtverbrauchs. Gleichzeitig ist auch noch nicht ganz klar, wie gut sich die beiden Gase in größeren Flüssiggastanks mischen und vor allem über längere Zeiträume lagern und entnehmen lassen, was sicherlich auch ein entscheidender Faktor für die großflächige Anwendung sein wird.

Die Zukunft von rDME hängt von vielen Faktoren ab

Schlussendlich wird voraussichtlich die Bundesregierung entscheiden, wie es mit rDME als grüner Ergänzung oder als gänzlichem Ersatz für Füssiggas weitergeht. Wird die Förderung für „Renewable Ready“ Gasheizungen nicht fortgesetzt und an einem Einbauverbot für Heizungen mit unter 65% erneuerbarem Anteil festgehalten, wird auch regenerativ erzeugter Dimethylether voraussichtlich schwer durchsetzungsfähig sein.

Ob und inwiefern die Umrüstung aller modernen Gas-Bestandsheizungen auf strombetriebene Wärmepumpen technisch möglich, geschweige denn überhaupt sinnvoll ist, wird sich allerdings auch noch zeigen müssen. Ausgehend davon, dass in den Medien und seitens der Politik häufig Flüssigerdgas (LNG, Methan) und Flüssiggas (LPG, Propan & Butan) verwechselt oder zumindest nicht korrekt unterschieden werden, bleibt zu hoffen, dass man keine voreiligen Rückschlüsse zieht und dass das Thema rDME realistisch betrachtet und regulatorisch richtig eingeschätzt wird. Aus einer pragmatischen Perspektive betrachtet ist rDME zumindest eine gute Option, den Übergang von fossilen Brennstoffen zu einer nachhaltigeren Energiewirtschaft zu erleichtern. Wichtig wäre hier wahrscheinlich ein klares Signal seitens der Bundesregierung, um den Weg für weitere Investitionen in rDME als potentielle Zukunftstechnologie zu ermöglichen. Ausgehend von der schieren Menge an fossilen Bestandsheizungen braucht es zeitnah praktikable Lösungen, rDME könnte eine dieser Lösungen sein.

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