Gasindustrie seit über 200 Jahren auf dem Weg in die Zukunft

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1 Gasette Nr. /0 6. Jahrgang Gasindustrie seit über 00 Jahren auf dem Weg in die Zukunft Seiten und : Biogas die brachliegende erneuerbare Energie Seiten und : Power-to-Gas: Gas aus erneuerbarem Strom Seiten 6 und 7: Gasbeschaffenheitssensoren optimieren Anwendungsprozesse Seite 8: Die Gasindustrie als Wegbereiter für Fortschritt und Effizienz «Bezogen auf die Verwendungsvielfalt ist Methan (CH ) eine eierlegende Wollmilchsau unter den Energieträgern!» Dies ist kein Werbespruch der Gasindustrie, sondern eine Aussage der ZHAW an einer Fachtagung im Jahr 0. Dass diese Aussage nicht von der Hand zu weisen ist, zeigt sich auch an den zahllosen Innovationen in der über 00-jährigen Geschichte der Gasbranche. Sie war der eigentliche Treiber für Fortschritt und Innovation. Und dass die Gasindustrie auch an vorderster Front für eine zukünftig erneuerbare Energieversorgung mitwirkt, beweisen die vielen Forschungsprojekte in der Schweiz und Europa. Die Energieversorgung kann grundsätzlich in drei Bereiche unterteilt werden. Dem ersten Bereich sind die Erzeugung und Förderung der Energie zuzuordnen. Der Transport und die Speicherung der Energie gehören zum zweiten Bereich. Und dem dritten Bereich ist die Anwendung der Energie zuzuordnen und dieser ist für die Endnutzer der wichtigste Bereich. Methan ist darum die eierlegende Wollmilchsau unter den Energieträgern, weil sie nicht nur in allen drei Bereichen ihre Vorteile ausspielt, sondern sogar eine Schlüsselrolle einnimmt. Erneuerbares Methan stabilisiert die volatile Stromerzeugung durch Wind und Sonne, speichert sie langfristig (saisonal) und stellt sie dem Kunden für alle Anwendungsformen (Strom, Wärme, Prozessenergie und Mobilität) bedarfsgerecht bereit. Damit das ambitionierte Ziel der Dekarbonisierung auch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit (sozial, wirtschaftlich, umweltschonend) gelingt, muss in der Politik aber zuerst ein Umdenken stattfinden. Und das bedeutet: «Methan ist integraler Bestandteil der Energiestrategie 00.» 807 erhellte ein warmes Licht eine Seite der Prachtstrasse Pall Mall in London. Es war die erste Gaslaterne eine Weltpremiere. 8 wurden dann im Viertel der St. Margaret s Church die alten Öllampen gegen Gaslampen ausgetauscht. Zum ersten Mal erstrahlte ein ganzer Stadtteil mit dieser neuen Technologie. 00 Neben Wasserkraft setzt die Schweiz auf Sonnenenergie, Windkraft und er neuerbare Gase. Dank der Power-to-Gas-Technologie und der Konvergenz der Energienetze haben sich die CO - Emissionen gemäss der Energiestrategie verringert. Gasette /0

2 Biogas die brachliegende erneuerbare Energie Jährliches Potenzial von nachhaltiger Biomasse in der Schweiz Die Schweizer Gasindustrie fördert Biogas Die Schweizer Gasindustrie unterstützt den Ausbau der Biogasanlagen mit einem Förderprogramm. Seit dem Start im Jahr 0 konnte damit die Biogaseinspeisung in das Schweizer Gasnetz mehr als verfünffacht werden. Weitere Angaben zum Förderprogramm erhalten Sie beim Verband der Schweizer Gasindustrie VSG. Tel vsg@erdgas.ch Bild oben: Die Biogasanlage der SwissFarmerPower in Inwil TWh * Biomasse Biomasse aus Holz, Grünabfuhr, Mist, Gülle, Klärschlamm Roh-Biogas/Klärgas 60% Methan 0% CO Biogasaufbereitung TWh * Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität >90% Methan Strom Wärme Gasnetz Anwendungen: Mobilität, Wärmeerzeugung, BHKW, Industrielle Nutzung BHKW % Strom 60% Wärme % Verlust Wärme Industrie Mobilität Dezentrale Stromerzeugung mit BHKW *Steubing, Zah, Waeger, Ludwig, «Bioenergy in Switzerland», 00 **Boulouchos, ETH Zürich, 0 Gasette /0

3 Es war eine Weltpremiere, als in Samstagern ZH 997 erstmals auf Erdgasqualität aufbereitetes Biogas ins Gasnetz eingespeist wurde. Im Gegensatz zu Erdgas, dessen Methangehalt bei über 90% liegt, besteht Rohgas nur zu 0 6% aus brennbarem Methan, der Rest ist grösstenteils Kohlendioxid. Bei der direkten Verstromung von Rohgas (mit einem BHKW) liegt der elektrische Wirkungsgrad bei 0 0%. Die restliche Energie entweicht ungenutzt in Form von Abwärme sofern kein Abnehmer vorhanden ist! Die Vorteile von auf Erdgasqualität aufbereitetem und ins Gasnetz eingespeistem Biogas liegen somit auf der Hand. Zum einen wird die Abwärme bei der dezentralen Stromerzeugung durch ein BHKW immer genutzt. Zum anderen steht Biogas für weitere Anwendungsformen (Mobilität, Wärme, Industrie etc.) zur Verfügung. Ein zentraler Punkt ist zudem die Speicherbarkeit von Biogas im Gasnetz. Beim Potenzial von Biomasse in der Schweiz gehen die Meinungen auseinander. Die Studie «Bioenergy in Switzerland» beziffert das jährliche Potenzial von Biomasse auf ungefähr TWh. Und das 0 neu eingerichtete Kompetenzzentrum «SCCER BIOSWEET» setzt sich zum Ziel, aus Biomasse zusätzlich 8 TWh Energie pro Jahr zu gewinnen. Biogas gesetzlicher Handlungsbedarf Import (Zollgesetz) Gebäudebereich (MuKEn 0) Biogaseinspeisung in das Gasnetz ist im Trend Bestehende Anlagen Heutige Situation Import von Biogas via Gasnetz wird nicht anerkannt (CO -Abgabe) Keine gesetzliche Anerkennung von Biogas als erneuerbare Energie Geplante Anlagen Ziel der Gaswirtschaft Anerkennung des internationalen Biogashandels Befreiung von der CO -Abgabe Anrechnung zur Erfüllung der Vorschriften über die Nutzung von erneuerbaren Energien Stand: 0 Aufbereitung von Biogas H CO 6 CH Power-to-Gas Kläranlage Nassvergärung Biogasaufbereitung Trockenvergärung Gasnetz 6 Biomasse für Nassvergärung (z.b. Gülle) Biomasse für Trockenvergärung (z.b. Grünabfuhr, Mist) Roh-Biogas/Klärgas 60% Methan 0% CO Aufbereitung auf Erdgasqualität >90% Methan Biogseinspeisung in das Gasnetz CO -Abscheidungen für Methanisierung von Überschuss-Strom Gasette /0

4 Power-to-Gas: Gas aus erneuerbarem Strom Die Energiewende vor allem ein Speicherthema Das Energiesystem der Zukunft wird sich grundlegend verändern. Und die Politik setzt dabei primär auf eine elektrifizierte Energieerzeugung, die neben Wasser- vor allem auf Windkraft und Solarstrom basiert. Das bedeutet: Ohne geeignete Speichertechnologie ist eine zukünftig erneuerbare Energieversorgung und dies für alle Anwendungsarten praktisch nicht umsetzbar. Und da kommt die Power-to-Gas-Technologie ins Spiel. Denn Wasserstoff und Methan können mit Abstand am besten und flexibelsten gespeichert werden. Power-to-Gas wird derzeit vor allem in Fachkreisen viel beachtet und diskutiert. Denn die Power-to-Gas-Technologie bietet die Möglichkeit, überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen durch die Umwandlung in erneuerbares Gas in die Gasinfrastruktur einzuspeisen und saisonal zu speichern. Somit kann die Stromproduktion und der Verbrauch von Strom zeitlich entkoppelt werden. Das ist mit Blick auf den immer grösser werdenden Anteil an erneuerbaren Energien ein Bild oben: Power-to-Gas-Anlage in Falkenhagen (D): Mit Elektrolyse wird Strom aus Windanlagen in Wasserstoff umgewandelt Die Power-to-Gas-Versuchsanlage in Rapperswil wandelt PV-Strom in erneuerbares Methan um... Gasette /0

5 zentraler Aspekt. Zudem ist Methan aufgrund seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten für alle Anwendungsformen (Strom, Wärme, Prozessenergie und Mobilität) einsetzbar. Das macht die Power-to-Gas-Technologie noch wertvoller. Aus technologischer Sicht ist sie bereits heute einsatzfähig. Derzeit wird die Marktfähigkeit der Power-to-Gas-Technologie durch Optimieren von Verfahren, von Komponenten und Anlagenkonzepten auf breiter Front durch die Gasbranche, die Industrie sowie die Wissenschaft in ganz Europa vorangetrieben. Bei der Umwandlung von Strom zu Gas müssen verschiedene Technologien ineinandergreifen. Die beiden zentralen Verfahren sind dabei die Elektrolyse und die Methanisierung. Dabei ist die Wasserelektrolyse in einem Elektrolyseur wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt der Kernprozess der Power-to-Gas-Technologie. Der Wirkungsgrad beträgt je nach Verfahren zurzeit 70 8%. Im zweiten Schritt wird dann Wasserstoff (H ) in Verbindung mit Kohlenstoffdioxid (CO ) in Methan (CH ) umgewandelt. Die Power-to-Gas-Technologie bietet also die Chance, von einer Stromwende hin zu einer ganzheitlichen Energiewende zu gelangen. Aber zuerst muss die Politik die richtigen Rahmenbedingungen schaffen....dieses wird zurzeit für die Mobilität eingesetzt und ab 06 auch ins Gasnetz eingespeist Speicherkapazität verschiedener Speichermedien Nach Volumen Strom Verfügbar Batterie (Li-Ion) Wh/l Wh/l Stausee (Grand Dixence) Wh/l, Wh/l Wasserstoff (00 bar) 0 Wh/l 8 Wh/l Erdgas/Biogas/Methan (00 bar) 80 Wh/l 8 Wh/l GWh Stromspeicher (ca. 0 Haushalte/a) Volumen Batterie (Li-Ion) 7 00 m Stausee (Grand Dixence) 000 m Wasserstoff (00 bar) m Erdgas/Biogas/Methan (00 bar) 66 m EMPA 0 Power-to-Gas: Methanerzeugung aus überschüssigem Wind- und Solarstrom CO H O CO aus der Luft Strom Wärme BHKW % Strom 60% Wärme % Verlust Wärme Elektrolyse Methanisierung H O O + H CO + H CH + H O 6 Industrie 7 Mobilität Gasnetz 6 7 Überschuss aus Windstrom und Solarstrom CO -Abscheidungen aus Biogasaufbereitung und aus der Luft Umwandlung von Strom in Wasserstoff durch Elektrolyse Aufbereitung auf Erdgasqualität (CH ), >90% Methan Wasserstoff direkt ins Gasnetz und andere Anwendungen Methaneinspeisung ins Gasnetz Anwendungen: Wärme, Mobilität, dezentrale Stromerzeugung, Industrielle Nutzung Gasette /0

6 MEMS AG Die MEMS AG ist ein Dienstleistungs- und Beratungsunternehmen für Entwicklungen und Ingenieurarbeiten. Ihre Themenschwerpunkte liegen seit der Firmengründung 00 in den folgenden Bereichen: Gasmesstechnik, Sensorik, Metering und Elektronik-Entwicklung. Sie entwickelt Messgeräte, Technologien und Strategien rund ums Messen und Abrechnen von Gas, Elektrizität, Wasser und Wärme sowie verbrauchsarme Elektroniken für kundenspezifische Anwendungen. Die MEMS AG hat ein eigenes Labor für Gasdurchflussmessungen, insbesondere auch für die Verwendung brennbarer Gase. Für die Temperierung der Prüflinge stehen Wärme-Kälte-Schränke bereit, mit denen Temperaturen von 0 C bis 80 C simuliert werden können. Gasbeschaffenheitssensoren optimieren Anwendungsprozesse Der Energieträger Erdgas ist weltweit in einer Vielzahl von Ländern seit Jahrzehnten etabliert und gewinnt seit einigen Jahren sogar vermehrt an Bedeutung. Leistung, Effizienz und Umweltverträglichkeit der verschiedenen Gasanwendungen ist indes abhängig von den sich immer schneller verändernden Gaszusammensetzungen aufgrund neuer Gasressourcen (Biogas, verflüssigtes Erdgas, Power-to-Gas). Die Auswirkungen von Schwankungen in der Gasbeschaffenheit können mittels Bestimmung der Gasqualität kompensiert und somit Prozesse optimiert werden bisher eine Domäne teurer Prozessanalytik. Auch bei uns in der Schweiz sind grössere und schneller eintretende Gasbeschaffenheitsänderungen gegenüber heute zu erwarten. Die MEMS AG hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, preiswerte Sensoren herzustellen, damit alle Prozesse, auf die Gasbeschaffenheitsänderungen einen grossen Einfluss ausüben, auch künftig optimal betrieben werden können. Namentlich erwähnt seien hier gasmotorische Anwendungen, Gasturbinen, Brennstoffzellen, aber auch Biogasoder Gasnetzüberwachungsprozesse. Nachweisbare Prozessvorteile durch Messen der Gasbeschaffenheit Die gasqs-technologie von MEMS AG ist während mehrerer Jahre im Rahmen des europäischen Projekts «InGAS» im firmeneigenen Erdgasauto erfolgreich auf ihre Alltagstauglichkeit geprüft worden. Die Empa setzte die von MEMS AG entwickelten Gasbeschaffenheitssensoren ein, um moderne Gasmotorenkonzepte und die Auswirkung von Gasbeschaffenheitsänderungen auf solche Prozesse zu untersuchen. Der Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie (FOGA) unterstützte dieses Projekt. Mit einem Gasbeschaffenheitssensor können entsprechend die relevanten motorischen Parameter als Funktion der Gasbeschaffenheit abgebildet werden. Wird zum Beispiel ein stationärer Gasmotor einer WKK-Anlage auf ein Gas mit der bei uns typischen Methanzahl 6 Gasette /0

7 von 78 eingestellt, ergibt dies bei einer klopffesten Gasmischung (Methanzahl 00) einen Leistungsverlust von ca.,%, wenn kein Gasbeschaffenheitssensor vorhanden ist. Ein moderner PKW-Gasmotor, der auf eine Gasqualität mit niedrigem Energieinhalt voreingestellt ist, verliert bei Volllast an Leistung, wenn keine Information über den Brennwert vorliegt. Gasqualitätsfaktoren bestimmen mittels gasqs-technologie Um Gasanwendungen, seien diese motorischer, wärmetechnischer oder energieerzeugender Art, mit optimaler Effizienz betreiben zu können, ist die Kenntnis der Gasbeschaffenheit ausschlaggebend. Mit der von MEMS AG entwickelten gasqs-technologie werden brenntechnisch relevante Grössen kontinuierlich und vor Ort ermittelt. Die entwickelten Gasbeschaffenheitssensoren erlauben das Messen der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmekapazität sowie der Dichte. Diese physikalischen Summenparameter werden benutzt, um auf Gasqualitätsfaktoren wie das erforderliche Luft/Gas-Verhältnis, die Methanzahl, den Wobbeindex oder den Brennwert zu schliessen. Es braucht dabei keinerlei Wissen über die Gaszusammensetzung. Für die Mess- und Auswertestrategie wurde ein physikalisches Modell erarbeitet, um die Summenparameter für jede Gasmischung genau vorherzusagen. GasQS-Geräte während des Testverfahrens Links gasqs advanced, rechts gasqs basic (Ex) mm 0 0 Optimierungspotenzial mit der gasqs-technologie Gasbrenner Effizienz 8% Brennstoffzelle Lebensdauer 0 00% Brennstoffzelle Stromausbeute % Erdgasfahrzeug Wirkungsgrad % WKK-Gasmotor Rentabilität % 0% % % 6% 8% 0% 0% 00% Gasqualität-Messgerät Kostenreduktion* 0 90% *Die Kostenreduktion ist im Vergleich zu ursprünglichen Messgeräten dargestellt Gasette /0 7

8 Die Gasindustrie als Wegbereiter für Fortschritt und Effizienz Es war zwar nur eine sanfte Weltpremiere, als 807 die erste Gaslaterne die Pall Mall in London hell erleuchtete. Aber diese Gaslaterne markierte den Beginn der industriellen Entwicklung von Europa. Damals redete zwar noch niemand von Energieeffizienz geschweige denn von Nachhaltigkeit. Die Geburtsstunde der Gaslaterne bedeutete aber nichts anderes als Energie effizienter, wirtschaftlicher und umweltschonender einzusetzen. Die Gasindustrie entwickelte und förderte also schon im 9. Jahrhundert neue Geräte, Verfahren und Techniken zum Wohl von Gesellschaft und Umwelt und das hat sich bis heute nicht geändert. Und im. Jahrhundert investiert die Gasbranche in effizientere Anwendungstechniken, Biogasanlagen und weitere Technologien zur Herstellung erneuerbarer Gase Weltweit erste Gaslaterne in der Prachtstrasse Pall Mall, London, GB Patent für weltweit ersten Gasherd, James Sharp, Northampton, GB Entwicklung der ersten Brennstoffzelle, William R. Grove, GB Christian F. Schönbein, CH Patent für weltweit ersten Gasmotor, Etienne Lenoir, Luxemburg Weltweit erste Gasheizung nach dem Prinzip des Bunsenbrenners, Robert Wilhelm Bunsen, DE Erstes Gaswerk in der Schweiz wird in Betrieb genommen, Stadt Bern Entwicklung Viertakt- Gas-Verbrennungsmotor, N. August Otto, DE Entwicklung der ersten Gas-Zentralheizung, Vaillant, Deutschland Weltweit erste Gastankstelle für Personenkraftwagen, Berlin, Deutschland Entwicklung der ersten Brennwert-Gasheizung, Richard Vetter, Deutschland Entwicklung der ersten Gaswärmepumpe, Fichtel & Sachs, Deutschland Umstellung von Stadtgas auf Erdgas in der Schweiz Weltweit erste Biogaseinspeisung in das Schweizer Gasnetz, Samstagern Erste Wasserstoffeinspeisung aus erneuerbarem Strom in das Schweizer Gasnetz, Solothurn Erste Methaneinspeisung aus erneuerbarem Strom in das Schweizer Gasnetz, Rapperswil Herausgeber: Verband der Schweizerischen Gasindustrie (VSG) Grütlistrasse, 807 Zürich 0 88 vsg@erdgas.ch Redaktion: Hubert Palla, VSG palla@erdgas.ch Suisse romande: Antonina D Amico, ASIG damico@gaz-naturel.ch Grafik: Josef Fellmann, Zürich Fotos: Mems AG, SwissFarmerPower, e-on, HSR/IET Auflage: deutsch, 000 französisch (x jährlich) Druck: Adressänderung: Gratis-Abonnements: Bühler Druck AG, 860 Schwerzenbach info@buehler-druck.ch vsg@erdgas.ch 8 Gasette /0