Ausgangssituation und Problemstellung

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1 Bachelor-/ Masterarbeit im Themenbereich Dezentrale Power-to-X (PtX) Anlagen - Ermittlung der technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen für den Betrieb von chemischen Speichertechnologien in einem Unternehmensverbund Ausgangssituation und Problemstellung Die Energiewende hat das ehrgeizige Ziel, den Verbrauch an fossilen Energieträgern radikal zu senken und damit auch die Freisetzung von Kohlendioxid zu reduzieren. Einen wichtigen Beitrag, neben der Elektrifizierung, bietet die Herstellung von künstlichen Kraftstoffen. Diese entstammen nicht der Erdöl-Raffinerie, sondern fließen aus Reaktoren, in die unter anderem Kohlenstoffdioxid als Rohstoffquelle eingespeist werden kann und mit Wasserstoff umgesetzt wird. Dabei entsteht synthetisches Benzin, Diesel oder auch Kerosin. Der große Vorteil hierbei liegt darin, dass der Wasserstoff aus grüner Produktion entstammt, also der Elektrolyse mit Strom aus Photovoltaik, Wind- oder Wasserkraft. Dadurch lässt sich nicht nur die Emissionsbilanz konstant halten, sondern auch Strom aus regenerativen Quellen speichern. Konsequent um die Ecke denken und dabei innovative Lösungen entwickeln, dafür steht Power-to-X (P2X). Power-to-X bezeichnet dabei verschiedene Technologieansätze zur Speicherung von Energie, vor allem von Stromüberschüssen eines Überangebots an erneuerbaren Energien (Solar-, Wind-, Bio- oder Wasserenergie). Mit Hilfe von Power-to-X lässt sich überschüssiger Strom chemisch speichern, so dass die Energie später flexibel abrufbar ist. Es wird also elektrische Energie genutzt, um chemische Reaktionen herbeizuführen. Die sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese bezeichnet dabei den etablierten Prozess, bei dem ein Synthesegas aus Kohlendioxid und Wasserstoff flüssige Kohlenwasserstoffe bildet. Die Reaktionen laufen bei Temperaturen von bis zu 300 Grad und bei einem Druck zwischen 20 und 30 bar ab. Über diese beiden Parameter und vor allem durch die verwendeten Katalysatoren lässt sich steuern, was am Ende aus dem Reaktor herausströmt. So lassen sich beispielsweise Kettenlängen der Kohlenwasserstoffe in weiten Bereichen steuern und sowohl gesättigte wie auch ungesättigte Produkte erzeugen. Das X im Namen Power-to-X steht für viele Möglichkeiten oder Stoffe, die im Rahmen eines Elektrolyse- oder Katalyseprozesses genutzt werden. Mit Power-to-Ammonia, Power-to-Chemicals, Power-to-Fluid, Power-to-Fuel, Power-to-Gas, Power-to-Heat, Power-to-Liquid, Power-to-Mobility, Power-to- Power, Power-to-Syngas oder Power-to-Value sind einige wenige der vielen Möglichkeiten aufgezählt, an welchen derzeit intensiv geforscht wird. Die Forscher spielen aktuell Katalyse-Schach an der Nahtstelle zwischen Energie und Chemie. Forschungsinstitut für

2 Figure 1- Power-to-Gas 1 Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, innovative Technologieansätze und Entwicklungspotenziale für kleinere Syntheseanlagen zur Produktion von Wasserstoff, Methan und Methanol unter Verwendung von Überschussstrom zu identifizieren, die grundsätzlich geeignet sind, in ein virtuelles Netzwerk aus dezentralen Anlagen zur Einspeisung elektrischer Energie sowie aus industriellen Verbrauchern integriert zu werden. Adressaten des Vorhabens sind kleine und mittelständische Unternehmen (kmu), die Energieanlagen unter Nutzung erneuerbarer Energien, stromintensive Produktionsprozesse oder Produktionsanlagen mit hohen prozessbedingten CO2-Emissionen betreiben. Sie sollen durch das Vorhaben Informationen über die Chancen sowie die technischen und wirtschaftlichen Risiken der Integration chemischer Speichertechnologien in einem Energieverbund erhalten. Es soll auch auf die weitere technische Entwicklung dieser so genannten Power-to-X-Anlagen Einfluss genommen werden, in dem die technischen Anforderungen für kleinere Anlagenkapazitäten ermittelt werden. Die Ergebnisse des Vorhabens sind daher auch für Unternehmen aus dem Anlagen- und Apparatebau sowie der Energiewirtschaft interessant, die neue Verfahrenstechnik entwickeln. Damit wird ein Beitrag zur Schaffung von Basiswissen für die Entwicklung neuer Produkte, Verfahren und Dienstleistungen geleistet. Ferner werden die wirtschaftlichen (Preisentwicklung für Strom, Produkte, Wärme etc.), energiepolitischen und rechtlichen Rahmenbedingungen daraufhin analysiert, wie diese zu verändern wären, damit kleinere Syntheseanlagen im Verbund von kmu betriebs- und volkswirtschaftlich sinnvoll betrieben werden könnten. Es soll ermittelt werden, ob sich für einen Verbund von Unternehmen energieintensiver Branchen und Betreibern von EE-Anlagen der gemeinsame Betrieb von chemischen Speichertechnologien wirtschaftlich darstellen lässt. Die notwendigen Technologieentwicklungen speziell für kleinere Anlagenkapazitäten werden bestimmt. Die Voraussetzungen für die Wirtschaftlichkeit solcher chemischen Speichertechnologien für Verbünde von kmu sollen ermittelt werden unter Berücksichtigung der verfügbaren Energieversorgungsnetze (Strom, Wärme, Erdgas, ) der verfügbaren CO2- bzw. H2-Quellen und 1 Forschungsinstitut für

3 der Verwertungsoptionen für die Syntheseprodukte (H2, CH4, CH3OH). Lösungsweg: Im Vorhaben soll ermittelt werden, ob sich die Installation kleiner, dezentraler Syntheseanlagen, die in einem Unternehmensverbund mit Vertretern aus energieintensiven Branchen und Betreibern von EE-Anlagen wirtschaftlich darstellen lässt. Hierzu arbeiten die beiden Forschungsstellen eng zusammen. Die technischen, energiewirtschaftlichen und wirtschaftlichen Daten werden vornehmlich durch Expertenbefragungen sowie Literaturrecherchen ermittelt. Da bei den chemischen Speichertechnologien auch innovative Verfahren, die sich z.t. noch in der vorwettbewerblichen Entwicklung befinden, berücksichtigt werden sollen, werden auch Kontakte zu nationalen und internationalen Forschergruppen aufgenommen. Weiterer Ablauf: Nachdem Sie sich bei uns am Forschungsinstitut beworben haben, bieten wir Ihnen in einem ersten Gespräch oder Telefonat einen detaillierten Einblick in die Thematik. Dabei diskutieren wir die Grundlagen der Power-to-X Technologie und geben Ihnen aktuelle Kennzahlen und Forschungsergebnisse zur Hand. Mit dem Thema Power-to-X bietet sich Ihnen die Möglichkeit im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes mitzuarbeiten. Mögliche Themengebiete für Abschlussarbeiten Bachelor-, Master- und Diplomarbeit im Rahmen des Forschungsprojekts zu folgendem Themengebiet zu vergeben: 1) [Bachelor/Master]: Investitionsausgaben und laufenden Kosten Berechnung von Investitionskosten für verschiedene Energiespeichertechnologien Wirtschaftlichkeitsbetrachtung verschiedener Energiespeichertechnologien unter dem Aspekt: Lohnt (oder ab wann lohnt) sich eine Investition für einen Unternehmensverbund? 2) [Bachelor/Master]: Wirtschaftlichkeit und Zielkostenerreichung (1) Ausgehend von heutigen Investitions- und Betriebskosten unter Berücksichtigung von Skaleneffekten (Erfahrungskurve) wird eine Prognose der Gestehungskosten für die Speichermaterialien und die Syntheseverfahren für das Jahr 2025 und später erstellt. Untersucht wird auch die Sensitivität z.b. auf die Investitionskosten, den Strompreis sowie die jährliche Nutzungsdauer der chemischen Speicher. Der Ansatz zur Ermittlung von Energiegestehungskosten auf Grundlage der standardisierten Wirtschaftlichkeitskennzahl LCOE (Levelized Cost of Energy oder Stromgestehungskosten) soll für die Anwendung auf unterschiedliche chemische Forschungsinstitut für

4 Speichertechnologien erweitert werden. Im Unterschied zum klassischen LCOE- Ansatz werden Energiespeicher in einem vernetzten System betrachtet. Daraus resultieren fluktuierende Kosten sowohl für den regenerativen Strom als auch die Speichermaterialien. Um einem Netzwerk-Ansatz Rechnung zu tragen, müssen unterschiedliche Energiequellen und speicher in die Berechnung der LCOE einbezogen werden. Für die Adaption der Kennzahl LCOE für dezentrale chemische Energiespeicher müssen die Energieträger (Strom, Wärme, Speichermaterialien H2, CH4, CH3OH) harmonisiert und ein Ordnungsrahmen gefunden werden, der die Vergleichbarkeit ermöglicht. Dadurch sollen unterschiedliche Technologien chemischer Energiespeicher vergleichbar werden. Des Weiteren gilt es zu prüfen, ob auch nicht-monetäre Effekte wie bspw. Ressourcenschonung, CO2-Einsparung, Innovations-/ Reifegrad der Technik im Modell Berücksichtigung finden können. 3) [Bachelor/Master]: Wirtschaftlichkeit und Zielkostenerreichung (2) Für eine Amortisation der chemischen Speichertechnologien muss sich aus der Differenz zwischen den erzielbaren Einnahmen und den Ausgaben (Gestehungskosten) ein Einnahmeüberschuss ergeben. Die Einnahmen eines chemischen Speichers ergeben sich aus der Vergütung, die sich aus dem Verkauf der Syntheseprodukte H2, CH4 oder CH3OH erzielen lässt. Hinzuzurechnen sind eventuell vermiedene Kosten z.b. für CO2-Zertifikate. Weitere Einnahmen lassen sich durch die Nutzung freiwerdender Wärme sowie von Sauerstoff bei der Wasserelektrolyse erzielen. Bei der Rückverstromung der Syntheseprodukte ist der erzielbare Strompreis heranzuziehen. Aus dem Vergleich der Gestehungskosten mit den voraussichtlich erzielbaren Erlösen lässt sich eine wirtschaftliche Bewertung der unterschiedlichen chemischen Speichertechnologien ableiten. Es schließt sich eine Zielkostenrechnung an, um die anzustrebenden Investitionskosten für die verschiedenen Speichertechnologien bzw. ihre Komponenten zu ermitteln. Analog werden auch die wesentlichen Faktoren auf der Erlösseite wie erforderliche Marktpreise für Strom, Wasserstoff, Methan, Methanol bestimmt. Allgemeines Die Arbeiten dienen der Grundlagenforschung und werden entweder literaturbasiert oder empirisch durchgeführt. Der Beginn ist ab sofort möglich. Eine zügige Durchführung ist sowohl möglich als auch erwünscht. Alle Arbeiten erhalten einen Sperrvermerk, bitte bewerben Sie sich nur, wenn Sie dies akzeptieren. (Stand: ) Literaturempfehlungen a) Youtube Kopernikus Projekt P2X: b) Youtube Mit Power in die Energiewende: Kopernikus-Projekt Power-to-X #P2X: Forschungsinstitut für

5 c) ASUE Power to Gas Erzeugung von regenerativem Erdgas: d) Sterner (2014) Energiespeicher Bedarf, Technologie, Integration, ISBN: e) für weitere Literatur kontaktieren Sie uns bitte via . Forschungsinstitut für