Power to Gas: Direkte Methanisierung von Biogas im Werdhölzli

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1 Power to Gas: Direkte Methanisierung von Biogas im Werdhölzli HSR Expertengespräche Andreas Kunz: Energie 360 ; Leiter Projektrealisierung Tilman Schildhauer: PSI; Senior Scientist, Labor für Thermische Prozesse

2 Power to Gas: Direkte Methanisierung von Biogas Agenda 1. Entwicklung Erneuerbares Gas in der Schweiz 2. Vision: Produktionssteigerung Erneuerbares Gas mit Power to Gas 3. Wirtschaftlichkeit P-t-G im Vergleich zu konventioneller Biogas-Aufbereitung 4. Potential in der Schweiz 5. Direkte Methanisierung von Biogas, Demonstrationsanlage 6. Wirbelschicht Methanisierung: Funktionsweise und Vorteile Seite 2

3 Entwicklung eines Energieträgers Seite 3

4 Erneuerbares Gas steht erst am Anfang Gas-Verbrauch CH (2015) : Total Biogas (2015) : Biogas Energie 360 (2015) : GWh 365 GWh 147 GWh Biomasse-Potential CH (Studie BFE 2004) Biogas aus Schweizer Produktion (2015) Theoretisch: Realistisch Nutzbar Weiteres Potential durch Power to Gas GWh ca. 25 % Seite 4

5 Von Biogas-Aufbereitung zu Power to Gas CO2 wird heute in Biogas- Aufbereitungs-Anlagen abgetrennt CO2 soll zur Methanisierung von erneuerbarem H 2 genutzt werden Mit Power to Gas kann künftig mehr Erneuerbares Gas hergestellt werden Einspeisefähiges Biogas CH 4 Roh-Biogas CH 4 / CO Nm3/h Seite 5

6 Mehr Erneuerbares Gas Konventionelle Gasaufbereitungsanlage CO 2 Biogas CH 4 / CO 2 Biogasaufbereitung Biomethan (CH4) Power to Gas Technologie CO H 2 = CH H 2 O Biogas CH 4 / CO 2 Power to Gas (Methanisierung) Biomethan El Energie H 2 Elektrolyse H 2 H 2 O Konventionelle Gasaufbereitung Biogas zu Biomethan durch Abtrennung von CO 2 Power to Gas Biogas zu Biomethan durch Zugabe von H 2 Seite 6

7 Investitionskosten Vergleich Investitionkosten: Konventionelle 5'000'000 4'000'000 3'000'000 2'000'000 1'000'000 vs P-t-G Anlage Gasleitung / Einspeisung Planung / Bau Gasreinigung Speicher Methanisierung Gasaufbereitung - Konventionell Power to Gas Elektrolyse 2.2 Rp 2.5 Rp spezifisch pro kwh Anlagegrösse 200Nm 3 /h Rohgas, 1.4 MW Elektrolyse, kontinuierlicher Betrieb Seite 7

8 Wirtschaftlichkeit im Vergleich Konventionelle Biogas-Aufbereitung 7.5 Rp/kWh Investition / Betrieb: 4.5 Rp/kWh Rohgas 60% CH 4 Aufbereitung 40% CO 2 Biomethan 120Nm3/h 12 Rp/kWh CO 2 P-t-G 7.5 Rp/kWh Investition / Betrieb: 4.5 Rp/kWh Biomethan 200Nm3/h Rohgas H 2 Elektrolyse Methanisierung 12 Rp/kWh 4.5 Rp/kWh el η: 60% Seite 8

9 Grosses Potenzial in der Schweiz Power to Gas Potenzial Anzahl Anlagen Einspeisung bestehend Potenzielle Strom- Erzeugenden Anlagen Total Potenzial Power to Gas Klärwerk (ARA) Vergärwerke Total GWh: Umbau der bestehenden Biogas-Einspeise-Anlagen auf Power to Gas Technologie Biogasanlagen mit Einspeisung ins Gasnetz (2015) 955 GWh: Umbau der Strom- Erzeugenden-Biogas-Anlagen in Gasnetz Nähe auf Einspeisung mit Power to Gas Technologie Erneuerbare Gasproduktion von 262 GWh auf 1.4 TWh steigern Seite 9

10 Direkte Methanisierung von Biogas Demonstrationsanlage Demonstrationsanlage 1-2 Nm 3 /h Gas Produktion Katalytische Methanisierung Wirbelschicht Reaktor Stunden Versuch im Frühjahr 2017 unter realen Bedingungen Seite 10

11 Seite 11

12 Gasmischung: -Kompressor für Rohbiogas - Wasserstoff aus Gasflaschen via MFCs Gasreinigung: -Aktivkohle-basierte Sorbentien zur Abtrennung von Siloxanen und Schwefelspezies (< 1 ppm) -Spezifische Analytik (microgc, FTIR, Flüssig-Quench mit offline-messung, ) Seite 12

13 Methanisierung: - Katalytischer Wirbelschichtreaktor - Filtration/Partikelabscheidung Gasaufbereitung: - Kondensation und Trocknung - Wasserstoff-Recycle noch nicht eingebaut Seite 13

14 Merkmale Wirbelschicht Methanisierung CH H 2 O Rohbiogas und Wasserstoff wirbeln durch Katalysator-Partikel (Nickel) CO H 2 = CH H 2 O Wärmetauscher-Rohre Wärmetauscher-Rohre nehmen Abwärme der Reaktion auf Guter Wärmeaustauch durch aufsteigende Blasen: isothermer Betrieb! Temperatur frei wählbar Stoffaustausch hängt von Bedingungen ab CO H 2, CH 4 Wirbelschicht Seite 14

15 Wirbelschicht Methanisierung Regelmässige Durchmischung steigert Robustheit gegen Verkokung Gas und Katalysator in Blasenphase Gas in dichter Phase Katalysator- Partikel in dichter Phase Wärmetauscher-Rohre Wirbelschicht Seite 15

16 Direkte Methanisierung von Biogas Kinetik und Thermodynamik verursachen ein Maximum in der Methan-Ausbeute H 2 /CO 2 = 4.1 CH 4 /CO 2 = 63/37 p = 6 bar Seite 16

17 Inbetriebnahme COSYMA (Flaschengas: CH 4 im Biogas durch N 2 ersetzt) Ausbeute von 95% erreicht; H 2 -Überschuss führt zu ca. 10% H 2 im Reaktorausgang H 2 /CO 2 = 4.1 Methan-Ausbeute = 95% CH 4 /CO 2 = 63/37 Seite 17

18 Inbetriebnahme COSYMA (Flaschengas: CH 4 im Biogas durch N 2 ersetzt) Ausbeute von 95% erreicht; H 2 -Überschuss führt zu ca. 10% H 2 im Reaktorausgang H 2 /CO 2 = 4.1 Methan-Ausbeute = 95% CH 4 /CO 2 = 63/37 Reaktortemperatur Methan neu gebildet CO 2 Seite 18

19 Inbetriebnahme COSYMA (Flaschengas: CH 4 im Biogas durch N 2 ersetzt) Ausbeute von 95% erreicht; H 2 -Überschuss führt zu ca. 10% H 2 im Reaktorausgang H 2 /CO 2 = 4.1 Methan-Ausbeute = 95% CH 4 /CO 2 = 63/37 Reaktortemperatur Methan neu gebildet Kinetische Limitierung: Temperatur < 300 C führt zu tieferem Umsatz CO 2 Seite 19

20 Wirbelschicht Methanisierung von Biogas Forschung und Prozessentwicklung, um Technologietransfer vorzubereiten Mikro-Wirbelschicht (TRL 2/3): Vorversuche COSYMA (TRL 4/5): Dauerversuch unter Real-Bedingung GanyMeth (TRL 6): Hochskalierung Page 20

21 Weiteres Vorgehen Transport COSYMA vom PSI nach Werdhölzli ( ) Inbetriebnahme COSYMA in Werdhölzli Einspeisen des Biomethan in das Erdgasnetz Dauerversuch 1000 h im Frühjahr 2017 Anlass am 5. April 2017 in Werdhölzli, in dessen Rahmen erste Ergebnisse vorgestellt werden und die Anlage besichtigt werden kann Nachfahren im Pilotreaktor (160 kw): Test Scale-up-Effekte, Validierung Reaktorsimulation. Page 21

22 Besten Dank Andreas Kunz Leiter Projektrealisierung Dr. Tilman Schildhauer Senior Scientist Energie 360 o AG Erneuerbare Energien Aargauerstrasse 182 Postfach Zürich Direktwahl Paul Scherrer Institut Labor für Thermische Prozesse 5232 Villigen PSI Direktwahl

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