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 2.0 29. 30.04.2013, ATLANTIC Congress Hotel, Essen KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
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 700 600 500 400 300 200 100 0 2008 2030 2050 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
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, 2012 2 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 (= 17-25 TWh*) Nachteil: Wirkungsgrad Strom zu Gas < 65 % *Umweltbundesamt (2010) 3 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 http://web.wintershall.com/internet/notes/bilder 20 10 9 m³ Zykluszeit 3 Monate Kapazität (chem.) 200 TWh 2,4 Mio. Elektrofahrzeuge: 2 Mio. 0,04 TWh Warmwasserspeicher: 0,02 TWh http://www.forbach.de/inhalte/tourismus/sehensw_schwarzenbachtalsperre.html 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 ; 2012 4 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
Transportkapazitäten Strom- / Gasnetz http://www.zoonar.de/761429 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, 2008 5 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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
Zwischenfazit: -Speicherbedarf für elektr. Energie wird zunehmen -Chemische Energieträger sind die besseren Speicher -bidirektionale Verbindung zwischen Strom- und Gasnetz? 7 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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
H 2 CH 4 Quelle: DVGW-Projekt Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz G1-07-10 / 2013 9 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 51624 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
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 G1-07-10 / 2013 11 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 1-100 T C 200-500 Kat. - Nickel, (Ruthenium) 12 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 0 200 300 400 500 600 700 800 Temperatur T in C max. Betriebstemperatur durch GGW begrenzt Druck hat positiven Effekt auf CO/CO 2 Umsatz 13 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 3 4 4-6 2 1 1 1 Entwicklungsstand Komm. Komm. k. A. Komm. Pilot Pilot Techn. Druck in bar 30 25 70 1 70 18 86 20 60 70 Temperatur in C 300 700 230 640 315 780 Bis 450 k. A. 400 500 340 Jahr 1980 1981 1974 1974 1965 FB: Festbett, WS: Wirbelschicht 1980 (2008) 1976 etabliert : Adiabat betriebene Festbettreaktoren mit Zwischenkühlung und Teilrückführung 14 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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, 2005 2. Reaktor T ein 260 C ;T aus = 315 C Kommerzielle Anlage (Great Plains (USA); Produktion: 4,8 10 6 m³/d SNG aus Braunkohle) 15 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 1.000 4.000 h -1 Frank, Liquid Phase Methanation Pilot Plant Results. New York (1977) 16 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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 2 500 2.100 30.000 CO - 2.500 - H 2-4.000 - CH 4 500 1.100 - Zusatz H 2 (aus der Elektrolyse) 2.000 11.900 120.000 Produkt CH 4 1.000 5.700 30.000 17 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
Mögliche PtG-Prozessketten CO x -Quelle: Biogasanlage CO x -Quelle: Holz-Vergasung 18 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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
Konzepte für bessere Methanisierung Metallische Waben als Katalysatorträger Dreiphasen-Methanisierung / Flüssigphasenmethanisierung 20 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
EBI-Dreiphasenmethanisierung Katalysator (< 100 µm) suspendiert in inerter Flüssigkeit (Indirekt) fluidisiert durch Einsatzgas Druck: 20 bar; Temperatur: 280-300 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
Experimenteller Aufbau - Apparatur 22 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr
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
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
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Siegfried Bajohr Tel.: 0721/608-48928; Email: siegfried.bajohr@kit.edu 26 Dr.-Ing. Siegfried Bajohr