Steigerung der Biogas-Ausbeute mit Power-to-Gas

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1 WIR SCHAFFEN WISSEN HEUTE FÜR MORGEN Tilman Schildhauer :: Paul Scherrer Institute Steigerung der Biogas-Ausbeute mit Power-to-Gas WKK-Forum 2018, Bern, Freitag, 22. Juni 2018

2 Zukünftige Rolle von erneuerbarem Methan? Biomasse (Holz, Grüngut, Klärschlamm) Strom von PV und Wasserkraft, der nicht genutzt werden kann Erneuerbares Methan (im Netz gespeichert/verteilt) WKK (Menge Wärme-, Zeitpunkt Stromgeführt) Nutzung als CO 2 - neutraler Treibstoff (PWs, Transporter) Page 2

3 Power-to-Gas (PtG) Schema Besonders im Sommer nötig Wärme Industrie Wind Wasser Sonne H 2 O Anwendung Elektrolyse H 2 Gas-Netz CO 2 Methanisierung CH 4 CO H 2 CH H 2 O Speicherung Seite 3

4 Mehr Bio-Methan mit PtG Biogas ist die günstigste CO 2 -Quelle, da keine Abtrennung nötig Conventional Bio-Methan Produktion Biomasse Vergärung Biogas CH 4 und CO 2 CO 2 Wäsche CO 2 Bio-Methan H 2 O Power-to-Gas Bio-Methan Produktion Biomasse Vergärung Biogas CH 4 und CO 2 Methanisierung CO H 2 CH H 2 O Bio-Methan Elektrizität + H 2 O Elektrolyse H 2 H 2 O 60% mehr Biomethan mit PtG Seite 4

5 Technologien Methanisierung Methanisierung Katalytisch Biologisch Festbett Wirbelschicht Gerührte Blasensäule Seite 5

6 Beispiele von Power-to-Gas Anlagen mit Biogas Werlte (D), Avedore (DK) Projekt BIOCAT Festbettmethanisierung Biologische Methanisierung Regelbetrieb seit 2013, Input: 6 MW el, Output: 3 MW SNG Regelbetrieb seit 2016, Input 1 MW el Seite 6

7 Technologie-Vergleich Methanisierung Aspekt Temperaturniveau Wärmerückgewinnung Gekühltes Festbett (Hitachi Zosen Inova) Blasenbildende Wirbelschicht (PSI/TKE) Biologisch (electrochaea, Microbenergy) Gas-Aufbereitung nötig für < 2% H 2? ja ja Je nach Durchsatz Tief-Entschwefelung nötig? << 1 ppm vor Reaktor << 1 ppm vor Reaktor < 3ppm nach Reaktor Reaktorgrösse (hoher Durchsatz) Olefine und Aromaten im Feed (C 2 H 4, C 6 H 6 ): Komplexität Gasreinigung Technischer Reifegrad (TRL) , [8] Demo- oder kommerzielle Anlage Werlte (3 MW SNG ) GanyMeth (200 kw SNG ) Güssing (1 MW SNG ) BioCat (500 kw SNG ) [Solothurn, Dietikon] Seite 7

8 Demonstration Direkte Methanisierung Biogas Wirbelschichtmethanisierung, Zürich Werdhölzli (CH) Gasometer Spuren/Störstoffe Wasser CO 2 Biomethan Demonstrationsanlage für 2 Nm 3 /h Gas Katalytische Methanisierung im Wirbelschicht Reaktor h Betrieb im Jahr 2017 unter realen Bedingungen Seite 8

9 Seite 9

10 Direkte Methanisierung von Biogas Kinetik und Thermodynamik verursachen ein Maximum in der Methan-Ausbeute H 2 /CO 2 = 4.1 H 2 /CO 2 = 4.1 CH 4 /CO 2 = 63/37 p = 6 bar Seite 10

11 Direkte Methanisierung von Biogas Kinetik und Thermodynamik verursachen ein Maximum in der Methan-Ausbeute H 2 /CO 2 = 4.1 Methan-Ausbeute = 95% CH 4 /CO 2 = 63/37 Seite 11

12 Langzeitexperiment in Werdhölzli Der Langzeitversuch wurde erfolgreich durchgeführt Experimente (vorhergesagte Gasqualität) und Modell passen zusammen Damit kann das Modell für eine Prozessanalyse und die Berechnung von Kosten und Wirtschaftlichkeit genutzt werden Seite 12

13 Prozess Simulation Wie Einspeisequalität erreichen (>96% CH 4, <2% H 2 )? Evaluation der Prozesse: Wird geforderte Erdgasnetzqualität von Biomethan erreicht? Was sind die optimale Betriebsbedingungen? Wo liegen die Hauptkosten? Biogas Festbett Methanisierung Festbett Meth. Trocknung ODER Wirbelschicht Methanisierung Kondensator Wasser ODER Membran Biomethan Wasserstoff aus erneuerbarem Strom CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Seite 13

14 Kostenschätzung (Zuschlagsfaktoren-Methode) CAPEX und OPEX werden von Elektolysekosten dominiert Verfahren mit Wirbelschicht sind etwas günstiger als solche mit Festbett Keine signifikanten Unterschiede bei den Aufbereitungsvarianten BFB... Wirbelschicht FB... Festbett Mem... Membran Seite 14

15 Produktionskosten und Wirtschaftlichkeit C prod = C capex + C opex + C biogas Rev extra Variante Wirbelschicht und Membran Alle betrachteten Prozesse sind wirtschaftlich bei Strompreis von 5 Ct /kwh el Bei höheren Strompreisen braucht es zusätzliche Erlöse (z.b. Prozesswärme) Sensitivität bez. CO 2 -Gehalt im Biogas: 10%-Punkte mehr CO 2 erhöhen den akzeptablen Strompreis um 1.5 Ct /kwhel BFB... Wirbelschicht FB... Festbett Mem... Membran Seite 15

16 Zusammenfassung Biogas ist die günstigste CO 2 -Quelle für Power-to-Gas (Methan) Power-to-Gas kann Biomethan-Ausbeute bei der Biogasaufbereitung um 60% steigern Erfolgreiche Demonstration (>1100 h) mit realem Biogas Validiertes Modell wurde für eine Prozessanalyse und die Berechnung von Kosten/Wirtschaftlichkeit genutzt: Wirbelschicht und Membranen haben Kostenvorteile 5 8 Ct /kwh el möglich (bei 6 Ct /kwh HHV Roh-Biogas-Preis) Knackpunkt Strom-Netzgebühr, Nutzung Abwärme Seite 16

17 Wir schaffen Wissen heute für morgen My thanks go to P. Dietiker, A. Kunz (e360 ) S. Biollaz, P. Jansohn (PSI) ESI-Team BfE, FoGa, Biosweet, CCEM, Empa Whole TCP group: Construction team Operation team Scientific team Seite 17