Power-to-X-Konzept. Gas-/Flüssig- Trennung. Co-Elektrolyse H 2, CO. Synthese. Produkte CO 2. gasförmige Nebenprodukte. Abgas.

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1 Power-to-X-Konzept H 2 O Co-Elektrolyse H 2, CO Synthese Gas-/Flüssig- Trennung Produkte CO 2 CO 2 - Abtrennung Abgas gasförmige Nebenprodukte Fraunhofer 19

2 Membrangestützte CO 2 -Abtrennung Keramische Membranen aus mikrokristallinem Kohlenstoff erlauben Stofftrennung nach Molekülgröße Präparation im Inneren keramischer Einkanalrohre mit einer Länge von 0,5 m In Trennversuchen mit CO 2 /CH 4 - Gemischen CO 2 /CH 4 -Selektivitäten bis ca. 50 vorherigen Entstaubung heißer Abgase mit SiC-Filterkerzen 0,1 CO 2 /0,9 N 2 Retentat CO 2 -Selekt > 85% CO 2 Fraunhofer 20

3 Power-to-X-Konzept H 2 O Co-Elektrolyse H 2, CO Synthese Gas-/Flüssig- Trennung Produkte CO 2 CO 2 - Abtrennung Abgas gasförmige Nebenprodukte Fraunhofer 21

4 Fischer-Tropsch-Synthese Stark exotherme Reaktion (Δ R h = - 154,1 kj mol -1 ) n CO + 2 n H 2 (CH 2 ) n +n H 2 O Erhalten wird immer eine Produktverteilung Verschiedene Zielfraktionen: Kurzkettige Olefine Synthetisches Rohöl (Diesel, Benzin) Wachse Einsatz bei der Kosmetik- und Schmierstoffherstellung industriell Höhere Alkohole wichtige Basischemikalien für die chemische Industrie und Einsatz als Kraftstoffadditive Fraunhofer 22

5 Katalysatorpräparation und Test Präparation von Eisen- und Cobaltkatalysatoren Katalytische Untersuchungen (2 Teststände) Produktanalytik (3 Gaschromatographen) Fraunhofer 23

6 Reaktorentwicklung für die Fischer-Tropsch-Synthese Entwicklung modularer Reaktoren für kleinskalige Anwendungen Anwendung keramischer über Tape-Casting hergestellter Trägerstrukturen Vorteile: Einfache Austauschbarkeit verbrauchter Katalysatoren Guter Stoff- und Wärmetransport Modularer und skalierbarer Aufbau Fraunhofer 24

7 Power-to-X - Verfahrenskonzept H 2 O Co-Elektrolyse H 2, CO Synthese Gas-/Flüssig- Trennung Produkte CO 2 CO 2 - Abtrennung Abgas gasförmige Nebenprodukte Fraunhofer 25

8 Prozessmodellierung und -entwicklung Erstmalige Beschreibung eines technisch umsetzbaren Co-Elektrolyse-basierten Prozesses Luft Restgas Abgas Brenner Vorheizung Anode SOEC Kathode Fischer- Tropsch Reaktor Wasserverdampfung H 2 O (g) CO 2 Flüssige Produkte H 2 O (l) Wachse Fraunhofer 26

9 Prozessmodellierung und -entwicklung Vergleich verschiedener Prozess- und Integrationskonzepte zur Kopplung von Hochtemperaturelektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese 0.60 tail-gas 0.55 H 2 O coelectrolysis syngas synthesis purge 0.50 CO 2 products en Wärmeverlust ψ = Übertragende Wärme chem. Leistung der Produkte η heat losses en = zugeführte elektrische Leistung heat transferred CO 2 H 2 O rwgs reaction H 2 H 2 O- electrolysis syngas synthesis tail-gas purge products Energetischer Wirkungsgrad für die Erzeugung von höheren Alkoholen aus H 2 O und CO 2 Fraunhofer 27

10 Prozessmodellierung und -entwicklung Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Produktionskosten in Abhängigkeit von den Stromkosten und den jährlichen Betriebsstunden im Vergleich zu Produkterlösen Fraunhofer 28

11 Machbarkeitsnachweis für den Prozess Weltweit erstmalige Demonstration eines Co-Elektrolyse-basierten Syntheseprozesses SOEC-Modul (Einbau KW20) Vorheizer, Wärmeübertrager Gas- und Wasserdosierung Fischer- Tropsch- Reaktor Verdichter Produktabtrennung Anlage befindet sich aktuell im Aufbau Fraunhofer 29

12 Technologien für ein nachhaltiges Energiesystem Biomasse, Kohle, Abfall TU Freiberg Vergasung, Reforming Synthese Produkte Regenerative Energie Hochtemperaturelektrolyse Fraunhofer 30

13 Nutzung von Biogas für die Wachssynthese Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen ist stark an Förderung durch EEG gekoppelt Entwicklung einer förderunabhängigen Alternative für bestehende Biogasanlagen H 2 O CH 4, CO 2 Reforming H 2, CO Synthese Gas-/Flüssig- Trennung Verbrennung gasförmige Nebenprodukte Wachs e DE B4 SAB-Projekt Einsatz von Biogasanlagen für die Synthese chemischer Produkte Fraunhofer 31

14 Nutzung von Biogas für die Synthese chemischer Produkte Simulationsbasierte Prozessoptimierung Demonstration des Verfahrens an einer Biogasanlage in Sachsen Fraunhofer 32

15 Wirtschaftlichkeit der biogasbasierten Wachssynthese Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hängt vom eingesetzten Substrat ab Mit hochwertige Produkten wie z.b. Wachse können im Vergleich zu Kraftstoffen deutlich höhere Erlöse erzielt werden Der Einsatz von Klärschlamm sowie von Bioabfällen aus dem Haushalt, der Landwirtschaft und dem Nahrungsmittelbereich stellt eine wirtschaftliche und nachhaltige Option dar. Mais als Rohstoff weist Nachteile bei der Wirtschaftlichkeit und der Nachhaltigkeit auf. Gestehungskosten / ct/kwh 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Klärschlamm Stroh gemittelter Erlös Erlös Treibstoffe 0,00-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Mais Rohstoffkosten / ct/kwh Erlös Wachse Fraunhofer 33

16 Zusammenfassung und Ausblick Speichertechnologien Kostengünstige Natrium-Batterien als Verschiebespeicher Power-to-X Grüner Wasserstoff für emissionsfreie Mobilität Weltweit erstmalige Umsetzung des Co-Elektrolyse-basierten Syntheseprozesses Fraunhofer Initiative Kohlenstoffketten Technologiekonzepte für die Braunkohlereviere Stoffliche Nutzung von Braunkohle und Abfällen Demonstration der Technologien in Vorbereitung und Planung Gemeinsame Projekte mit Industriepartnern zur Verwertung der wissenschaftlichen Ergebnisse Fraunhofer 34

17 Partner und Netzwerke Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fraunhofer 35

18 Kontakt Lukas Rohleder Geschäftsführer des Energy Saxony e.v. Energie-Cluster Sachsen Kramergasse Dresden Dr.-Ing. habil. Matthias Jahn Abteilungsleiter Chemische Verfahrenstechnik Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Winterbergstraße Dresden rohleder@energy-saxony.net matthias.jahn@ikts.fraunhofer.de Fraunhofer 36