Methanisierung. Bindeglied zwischen Strom- und Gasnetz. smart energy 2.0. Siegfried Bajohr. 6. Fachkongress

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1 Methanisierung Bindeglied zwischen Strom- und Gasnetz Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger Brennstofftechnologie, EBI-ceb DVGW Forschungsstelle am EBI, Gastechnologie Siegfried Bajohr 6. Fachkongress smart energy , ATLANTIC Congress Hotel, Essen KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Stromversorgung D Prognosen bis 2050 Speicher/Sonstige Erneuerbare Kernenergie Erdgas/Öl/sonstige Gase Braunkohle Steinkohle Referenz BMU Leitstudie 2009 Greenpeace Plan B WWF - Innovation ohne CCS Bruttostromerzeugung EBS in TWh/a Politikszenarien V-SWS Energiezukunft 2050 Szene 3 IER/RWI/ZEW - Referenz Energiekonzept Regierung IIA BMU Leitstudie 2009 Greenpeace Plan B WWF - Innovation ohne CCS Energiezukunft 2050 Szene 3 SRU - 1.a UBA Energieziel 2050 Energiekonzept Regierung IIA Schüwer, D., Arnold, K., Dienst, C., Lechtenböhmer, S., Merten, F, Fischedick, M, Supersberger, N., Zeiss, C.; Erdgas: Die Brücke ins regenerative Zeitalter Bewertung des Energieträgers Erdgas und seiner Importabhängigkeit; Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie im Auftrag von Greenpeace Deutschland e. V.; 25. August (2010) 1 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

3 Benötigte Speicherkapazität 2050 Annahmen - Benötigte elektrische Energie 600 TWh/a - Durchschnittliche Last 70 GW - 50 % volatile Quellen - Überbrückungszeitraum ohne EE: 2 Wochen Speicherbedarf ca. 10 TWh strom 2050 DENA, Integration EE, Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

4 Vergleich der Speichertechnologien Energiedichte versch. Speicher Speicherkapazität in D PSW = Pumpspeicherkraftwerk, CAES = Druckluftspeicher, EDLC = Doppelschichtkondensator Annahmen: η Turbine,CAES = 80 %; η Turbine,CH4/H2 = 60 % Quellen: Ter-Gazarian, 1994; Sauer; Buck, 2009 Chemische Speicher => höchste Energiedichte Kapazität Erdgasnetz D >> Bedarf bei 100 % reg. Elektrizität (= TWh*) Nachteil: Wirkungsgrad Strom zu Gas < 65 % *Umweltbundesamt (2010) 3 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

5 Gasspeicher vs. Pumpspeicherwerk Erdgasspeicher Rehden, Wintershall V n = 4,2 Mrd. m³ W chem = 11,7 TWh Schwarzenbach Talsperre P el = 44 MW W el = 198 MWh Gasspeicher, 2012 D Untertagespeicher 48 davon Porenspeicher 22 Arbeitsgasvolumen 25 % Jahresverbrauch m³ Zykluszeit 3 Monate Kapazität (chem.) 200 TWh 2,4 Mio. Elektrofahrzeuge: 2 Mio. 0,04 TWh Warmwasserspeicher: 0,02 TWh Pumpspeicherwerke PSW, 2010 D Anzahl 30 Leistung 6,7 GW Kapazität pro Zyklus 37,7 GWh Zykluszeit 6 h Jahreskapazität (el.) bei 2 x 365 Zyklen 27,5 TWh R. SEDLACEK Untertage-Gasspeicherung in Deutschland ; Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

6 Transportkapazitäten Strom- / Gasnetz erikamann.com Ferngas-Transportleitung 80 bar 1200 mm 30 GW (chem. Energie) 0,5 % Verlust auf 500 km Höchstspannungs-Freileitung 380 V Wechselstrom 2. 1,8 GW (elektr. Energie) 5 % Verlust auf 500 km Cerbe, Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

7 DVGW Innovationsoffensive Konvergenz Strom- und Gasnetz Kernenergie Strom Gas Erdgas Kohle Erneuerbare Energien CO 2 -Abtrennung SNG Methanisierung Elektrolyse Wasserstoff Biogas -NAWARO -SNG aus Holz Synthetisches Gas (z.b. aus Kohle mit CO 2 -Abtrennung GuD-Kraftwerke Kraft- Wärme- Kopplung Nutzung von elektrischer Energie und Wärme 6 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

8 Zwischenfazit: -Speicherbedarf für elektr. Energie wird zunehmen -Chemische Energieträger sind die besseren Speicher -bidirektionale Verbindung zwischen Strom- und Gasnetz? 7 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

9 Prozess Schema Power to Gas Wasser Konditionierung EE-Strom Elektrolyse O 2 H 2 Speicherung Erdgas-Netz CO 2 Methanisierung Konditionierung Wasser 8 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

10 H 2 CH 4 Quelle: DVGW-Projekt Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz G / Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

11 Aber: Grenzen für den H 2 -Gehalt im Erdgas DVGW G 260 (2008) Gasbeschaffenheit Gaskennwerte (Heiz-/Brennwert, Wobbe-Zahl, relative Dichte) < 10 Vol.-% H 2, aber Gasnetz beachten (Gelbdruck 2012) DVGW G 262 (2011) Gase aus regenerativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung CH 4 > 95 Vol.-% (H-Gas) CH 4 > 90 Vol.-% (L-Gas) DIN Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge Erdgas Max. 2 mol-% H 2 > Tanks in EG-Fahrzeugen EASEE-gas European Association for the Streamlining of Energy Exchange Gas: Common Business Practice Gaskennwerte Richtwerte nur für geringe ( insignificant ) H 2 -Gehalte gültig 10 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

12 H 2 -Toleranz ausgewählter Elemente im Erdgasnetz Verdichter und Turbinen Porenspeicher Abrechnung: Messgeräte Fahrzeuge: CNG-Tanks Industrieprozesse DVGW-Projekt Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz G / Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

13 Grundlagen der Methanisierung CO 2 -Methanisierung CO 2 (g) + 4 H 2 (g) CH 4 (g) + 2 H 2 O(g) R H = -165 kj/mol CO-Methanisierung CO(g) + 3 H 2 (g) CH 4 (g) + H 2 O(g) R H = -206 kj/mol Wassergas-Shift-Reaktion CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) R H = -41 kj/mol Exotherme Reaktion effiziente Abfuhr der Reaktionswärme nötig CO 2 -Methanisierung = Kombination aus CO- Methanisierung und WGS-Reaktion Betriebsbereich Methanisierung p bar T C Kat. - Nickel, (Ruthenium) 12 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

14 Thermodynamische Limitierung z. B. thermodyn. Gleichgewicht (GGW) eines Synthesegases aus der Holzvergasung 1,2 U CO > 98 % 1 CO-Umsatz U CO 0,8 0,6 0,4 p = 1 bar p = 10 bar p = 50 bar 0,2 p = 100 bar Temperatur T in C max. Betriebstemperatur durch GGW begrenzt Druck hat positiven Effekt auf CO/CO 2 Umsatz 13 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

15 Methanisierungskonzepte - Historie Name TREMP Hicom RMP Entwickler Haldor Topsøe British Gas Corp./ Lurgi Ralph M. Parson Co. Lurgi/ Sasol Lurgi Bi-Gas Comflux LPM Bituminous Coal Research Inc. Thyssengas/ EBI (PSI) Chem. Systems Reaktortyp FB FB FB FB WS WS Blasensäule Stufen Entwicklungsstand Komm. Komm. k. A. Komm. Pilot Pilot Techn. Druck in bar Temperatur in C Bis 450 k. A Jahr FB: Festbett, WS: Wirbelschicht 1980 (2008) 1976 etabliert : Adiabat betriebene Festbettreaktoren mit Zwischenkühlung und Teilrückführung 14 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

16 Festbettmethanisierung Lurgi/Sasol-Prozess Great Plains H 2, CO Reactor 1 Reactor 2 SNG Gas cleaning Final dryer Steam SNG + H 2 O H 2 O 2 adiabate Festbettreaktoren in Serie: 1. Reaktor mit (Teil-)Rückführung; T ein 300 C; T aus 450 C Moeller, 1974; Lukes, Reaktor T ein 260 C ;T aus = 315 C Kommerzielle Anlage (Great Plains (USA); Produktion: 4, m³/d SNG aus Braunkohle) 15 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

17 Flüssigphasenmethanisierung Liquid Phase Methanation (1976) Katalysator wird durch Flüssigkeit fluidisiert Mineralöl als Flüssigphase Pilotanlage: d R = 0,6 m; h R = 4,5 m Vollumsatz erreichbar, Probleme mit schlechter Rückvermischung und Zersetzung des Öls GHSV h -1 Frank, Liquid Phase Methanation Pilot Plant Results. New York (1977) 16 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

18 Besondere Anforderungen an PtG-Methanisierung Größenklassen der CO/CO 2 -Quellen Anlagengröße klein (Biogasanlage) mittel (Biomassevergasung) groß (z. B. NH 3 -Synthese) typische Edukgase m 3 /h (NTP) (trocken und aufbereitet) CO CO H CH Zusatz H 2 (aus der Elektrolyse) Produkt CH Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

19 Mögliche PtG-Prozessketten CO x -Quelle: Biogasanlage CO x -Quelle: Holz-Vergasung 18 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

20 BMBF Verbundprojekt SEE Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz - H 2 O-Elektrolyse und Synthese von Gaskomponenten (SEE) Projektidee Partner 4 x Industrie: h-tec, Iolitec, Outotec, EnBW 3 x Forschung: KIT-EBI ceb, Fraunhofer ISE, DVGW-EBI 19 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

21 Konzepte für bessere Methanisierung Metallische Waben als Katalysatorträger Dreiphasen-Methanisierung / Flüssigphasenmethanisierung 20 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

22 EBI-Dreiphasenmethanisierung Katalysator (< 100 µm) suspendiert in inerter Flüssigkeit (Indirekt) fluidisiert durch Einsatzgas Druck: 20 bar; Temperatur: C Vorteile: hohe Wärmekapazität hohe Wärmeleitfähigkeit dynamisch träge effiziente Wärmeabfuhr isotherme Reaktionsführung Nur ein Reaktor (spez. Investkosten ) Nachteile: Verdampfung/Zersetzung der Wärmeträgerflüssigkeit 21 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr Stofftransportlimitierung durch Forschungsbedarf

23 Experimenteller Aufbau - Apparatur 22 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

24 Experimenteller Aufbau - Reaktoren Glas-Reaktor DN25 dr = 25 mm hr 700 mm pmax = 5 (10) bar Stahl-Reaktor DN25 dr = 25 mm hr 640 mm pmax = 40 bar Stahl-Reaktor DN50 dr = 55 mm hr 550 mm pmax = 25 bar 23 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

25 Heiße Kandidaten für thermisch stabile Wärmeträgerflüssigkeiten Wärmeträgeröle Ionische Flüssigkeiten Dibenzyl-toluene (DBT) Kations Anion [N1114] [BTA] 1 Polydimethyl-siloxane (X-BF) R 1 R 3 : Methyl; R 4 : Butyl [PMPip] [BTA] 2 24 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr 1: Butyl-trimethyl-ammonium-bis-(trifluoromethylsulphonyl)imide 2: 1-Methyl-1-propyl-piperidinium-bis-(trifluoromethylsulphonyl)imide

26 Zusammenfassung erforderliche Speicherkapazitäten chemische Energieträger benötigt Erdgasnetz Kapazitäten >> EE-Überschussstrommengen H 2 -Zumischgrenzen bei der Einspeisung in Erdgasnetz bewerten PtG-Technologien/Verfahren weiterentwickeln - Wirkungsgrade - Konzepte - Last-Flexibilität - Standzeiten Betriebserfahrungen an Demoanlagen sammeln EE Strom / Wandlung / Netze als Gesamtsystem betrachten Regulatorische Rahmenbedingungen erarbeiten Geschäftsmodelle entwickeln 25 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Siegfried Bajohr Tel.: 0721/ ; 26 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr