Wir schaffen Wissen heute für morgen. Paul Scherrer Institut T.J. Schildhauer. Treibstoff-Erzeugung mittels Power-to-Gas-Verfahren

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut T.J. Schildhauer Treibstoff-Erzeugung mittels Power-to-Gas-Verfahren

2 Übersicht - Warum Treibstoffe aus Strom herstellen? - Erster Schritt: Elektrolyse (alkalisch, PEM, SOEC) - Warum weiter zu Methan umwandeln - Herausforderung Wärmefreisetzung bei der Methanisierung - Verschiedene Verfahren: gekühlte Festbetten, isotherme Wirbelschicht, biologische Methanisierung T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 2

3 Prognose für die Schweiz im Mai 2050 Quelle: Pascal Previdoli, BfE T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 3

4 Leistung Integration Wind/Solar ins Netz Überangebot Strom Produktionskosten CH höher als Marktpreis Netzbelastung steigt Netzkosten steigen Bandproduktion Zeit Bandenergie kleiner Netzstabilität sinkt höhere System-Dienstleistung (mehr Standby-Kraftwerke nötig) Investitionen in andere Modelle/Märkte (Speicherung, Mobilität, etc.) durch Einsparungen bei Netzausbau und Systemdienstleistungen mitfinanzieren Page 4

5 Power-to-Gas: Überschuss-Strom in die Mobilität T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 5

6 Power-to-Gas: Überschuss-Strom in die Mobilität Power-to-Gas T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 6

7 Elektrolyse als erster Schritt Wasserstofftankstellen CH - Future Energy Demonstrator EMPA (180 kw) - Postauto Brugg (310 kw) - Belenos (170 kw) - Michelin (25 kw) T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 7

8 Elektrolyse-Technologien Alkalisch (25-90 o C) PEM ( o C) SOEC (> 700 o C) Kathode H 2 O OH - Anode Kathode H + Anode H 2 O Kathode H 2 O O 2- Anode H 2 ½ O 2 H 2 ½ O 2 H 2 ½ O 2 Diaphragma Polymer- Membran Oxidische Membran Technisch reif (TRL 9) Demo-Massstab (TRL 8) mini-pilot-massstab (TRL 5) + einfache Katalysatoren, - aber kleine Stromdichte - Limitation bezüglich Teillast und Dynamik - Edelmetall-Katalysatoren, + aber hohe Stromdichte + sehr dynamisch und teillastfähig + auch als SOFC einsetzbar - sehr gute Wärme- Integration nötig η el 53 bis >70% η el 63 bis 76% + η el 76 bis 92% Quelle etogas Quelle Siemens s Quelle sunfire T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 8

9 Erweiterte Stromnetzstruktur: H 2 -Erzeugung Netzebene 1 In Zukunft volatiler Quasi Instantan Erhöhte Speicheranforderungen = + Netzebene 3 Netzebene 5 Netzebene 7 Absatzmarkt in naher Zukunft: lokal T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 9

10 Erweiterte Stromnetzstruktur: Methan-Erzeugung Netzebene 1 In Zukunft volatiler Quasi Instantan Erhöhte Speicheranforderungen = + Steigende Kapazitätsanforderungen Netzebene 3 Netzebene 5 Netzebene 7 Absatzmarkt in naher Zukunft: lokal national Steigende Speicherdauer und Gestehungskosten T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 10

11 Methanisierung mit Rein-CO 2 CO H 2 CH H 2 O (DH R 0 = -165 kj/mol) T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 11

12 Methanisierung mit CO 2 -haltigen Gas aus Biomasse CO H 2 CH H 2 O (DH R 0 = -165 kj/mol) T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 12

13 Varianten H 2 -reicher Methanisierung CO 2 -Quelle Technologie Vergärung Biogas Vergasung allotherm Typische Anlagengrösse MW SNG < 10 einige 10 Input Vergasergas/Rohgas pro MW SNG MW Rohgas 1.20 Output SNG (normiert) MW SNG CO-Methanisierung Extra-Input Strom (h Elektrolyseur = 75%) MW el Extra-Input H 2 MW H Zusätzliches SNG (max.) MW SNG CO 2 - (und CO-) Methanisierung Extra-Input Strom (h Elektrolyseur = 75%) MW el Extra-Input H 2 MW H Zusätzliches SNG (max.) MW SNG T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 13

14 Anforderungen Methanisierung für Power to Gas - Flexible Anlage für dynamische H 2 -Einkoppelung - Temperaturkontrolle (thermodynamisches Gleichgewicht) - CO 2 -Quelle erforderlich, die bez. Mengen zur H 2 -Einkoppelung passt - übliches Konzept: Umwandlung von Biogas (CO 2,CH 4 ) in Stromüberschuss-Zeiten - Alternativen: CO 2,aus Luft, Abgasen oder Holzvergaser-Gas (CO, CO 2 ) Reaktorkonzepte für Methanisierung mit Temperaturkontrolle: - gekühlter Rohrbündel-Festbettreaktor (ZSW, etogas) - gekühlte isotherme Wirbelschicht (PSI) - Blasensäulenreaktor mit Mikroorganismen: biologische Methanisierung (Krajete, Microbenergy, electrochaea) T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 14

15 Wie Wärmefreisetzung in Methanisierung handhaben? - Kühlung in Festbetten limitiert: Starke Wärmefreisetzung in kleinem Volumen - Temperaturspitzen schwierig zu vermeiden Wärmefreisetzung (proportional zu CO 2 Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht ~ r DHr Kühlung ~ DT A HX U T Kühlung Temperatur T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Page Seite 15

16 Simulation gekühlter Festbettreaktor T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 16

17 Brennwert Hs, n [kwh/m 3 ] Einspeisequalität gemäss DVGW Richtline G H 2 CH 4 C 2 H 6 N 2 CO 2 C2H6 CO Relative Dichte d [-] N2 H2 CH4 Grenzen G260 Grenze H-Gas G20 G25 T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 17

18 Wie Wärmefreisetzung in Methanisierung handhaben? - mehrere Stufen mit Zwischen-Kühlung und/oder Rezirkulation! Wärmefreisetzung (proportional zu CO 2 Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht ~ r DHr Temperatur T.J. Schildhauer, PSI, Thermal Process Engineering, PSI Page Seite 18

19 Gekühlte Festbettreaktoren: Stand der Technik Quelle Mangold, Audi Quelle: etogas, Audi

20 Anlagen in Werlte und Rapperswil: Es funktioniert! Quelle: etogas, Audi T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 20

21 Wie Wärmefreisetzung in Methanisierung handhaben? - Wärmefreisetzung verteilen grössere Wärmetauscherfläche - Katalytische Wirbelschicht (>300 o C) oder biologische Methanisierung (<65 o C) Wärmefreisetzung (proportional zu CO 2 Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht ~ r DHr Kühlung ~ DT A HX U T Kühlung Temperatur T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Page Seite 21

22 Molfraktion CO 2, CH 4 [%] Molfraktion CO [%] 1 MW SNG PDU: dynamische Reaktion auf H 2 -Rezirkulation - Isotherme Wirbelschicht-Methanisierung für Holzgas erfolgreich eingesetzt - Variation H 2 entspricht technisch einem Power-to-Gas Verfahren 60 Anfahren der Methanisierung Variation der H 2 -Rückführung MW SNG 20 CO2 CH4 CO :00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 Zeit [h] T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 22

23 Energy System Integration Plattform am PSI kw PEM-Elektrolyse und Gas-Tanks H 2, CO 2, O 2 - Pilotanlage Wirbelschicht-Methanisierung (200 kw) für PtG T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 23

24 Optionen Methanisierungstechnologien Aspekt Wirbelschicht (PSI) Gekühltes Festbett (etogas) Biolog. Methanisierung (electrochaea, Microbenergy) Temperaturniveau Wärmerückgewinnung Komplexität Reaktor (Hochskalierung) - (+) + - Kosten der Unit Biogas (CO 2, CH 4 ) Holzvergasergas (CO 2, CO, C 2 H 4, CH 4 ) Technischer Reifegrad Demo- oder kommerzielle Anlage (TRL) Güssing (1 MW SNG ) Villigen (200 kw SNG ) Werlte (3 MW SNG ) Rapperswil (25 kw SNG ) P2G-BioCat, DK (500 kw SNG ) etogas electrochaea T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 24

25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dank an Sinan Teske, Urs Elber Serge Biollaz, Peter Jansohn Felix Büchi T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 25

26 Gleichgewichtslage der CO 2 -Methanisierung (HSC ) kmol 20 H2O(g) Input: 40 kmol H 2, 10 kmol CO 2 (stöchiometrisch) File: C:\HSC7\Gibbs\Guessing 5 bara H2_CO2 4.OGI H2(g) CH4(g) 5 CO2(g) CO(g) Relativ hohe H 2 -Konzentrationen möglich Temperature C T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 26

27 Kohlenstoffquellen für SNG und PtG-CH 4 Biomassen Waldholz, Restholz Algen, Gülle Grüngut Vergasung Gasreinigung Hydrothermale Vergasung Vergärung Methanisierung CO 2 aus Luft/Industrie H 2 aus Elektrolyse mit Überschussstrom Power-to-Gas (CH 4 ) Methanisierung H 2 O Roh-SNG CH 4, H 2 O, CO 2, (H 2 ) Gasaufbereitung H 2 O, CO 2, (H 2 ) Rein-SNG CH 4 (z.b. Mobilität) T.J. Schildhauer, PSI, Thermal Process Engineering, PSI Seite 27