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Wir schaffen Wissen – heute für morgen
Paul Scherrer Institut
Treibstoff-Erzeugung
mittels Power-to-Gas-Verfahren
T.J. Schildhauer
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 2
Übersicht
- Warum Treibstoffe aus Strom herstellen?
- Erster Schritt: Elektrolyse (alkalisch, PEM, SOEC)
- Warum weiter zu Methan umwandeln
- Herausforderung Wärmefreisetzung bei der Methanisierung
- Verschiedene Verfahren: gekühlte Festbetten, isotherme Wirbelschicht,
biologische Methanisierung
Seite 2
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 3
Quelle: Pascal Previdoli, BfE
Prognose für die Schweiz im Mai 2050
Bandproduktion
Überangebot Strom
→ Produktionskosten CH
höher als Marktpreis
Netzbelastung steigt
→ Netzkosten steigen
Bandenergie kleiner
→ Netzstabilität sinkt
→ höhere System-Dienstleistung
(mehr Standby-Kraftwerke nötig)
Leis
tun
g
Zeit
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Integration Wind/Solar ins Netz
Investitionen in andere Modelle/Märkte (Speicherung, Mobilität, etc.) durch
Einsparungen bei Netzausbau und Systemdienstleistungen mitfinanzieren
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 5
Power-to-Gas: Überschuss-Strom in die Mobilität
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 6
Power-to-Gas
Power-to-Gas: Überschuss-Strom in die Mobilität
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 7
Elektrolyse als erster Schritt
Wasserstofftankstellen CH
- Future Energy Demonstrator
EMPA (180 kW)
- Postauto Brugg (310 kW)
- Belenos (170 kW)
- Michelin (25 kW)
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Alkalisch (25-90oC) PEM (25-100oC) SOEC (> 700oC)
Quelle etogas Quelle Siemens s Quelle sunfire
Elektrolyse-Technologien
OH-
Kathode
Anode
H2O
H2 ½ O2
Diaphragma
H+
Kathode
Anode
H2O
H2 ½ O2
Polymer-
Membran
O2-
Kathode
Anode
H2O
H2 ½ O2
Oxidische
Membran
Technisch reif (TRL 9) Demo-Massstab (TRL 8) mini-Pilot-Massstab (TRL 5)
+ einfache Katalysatoren,
- aber kleine Stromdichte
- Edelmetall-Katalysatoren,
+ aber hohe Stromdichte
+ auch als SOFC einsetzbar
- Limitation bezüglich Teillast
und Dynamik
+ sehr dynamisch und
teillastfähig
- sehr gute Wärme-
Integration nötig
ηel 53 bis >70% ηel 63 bis 76% + ηel 76 bis 92%
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 9
Erweiterte Stromnetzstruktur: H2-Erzeugung
Seite 9
Netzebene 1
Netzebene 3
Netzebene 5
Netzebene 7
Erhöhte Speicheranforderungen
= +
Quasi Instantan
In Zukunft volatiler
Absatzmarkt in naher Zukunft: lokal
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Erweiterte Stromnetzstruktur: Methan-Erzeugung
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Netzebene 1
Netzebene 3
Netzebene 5
Netzebene 7
Erhöhte Speicheranforderungen
= +
Quasi Instantan
In Zukunft volatiler
Steigende Speicherdauer und Gestehungskosten
Steigende Kapazitätsanforderungen
Absatzmarkt in naher Zukunft: lokal national
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Methanisierung mit Rein-CO2
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
(DHR0 = -165 kJ/mol)
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 12
Methanisierung mit CO2-haltigen Gas aus Biomasse
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
(DHR0 = -165 kJ/mol)
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Varianten H2-reicher Methanisierung
Vergärung Vergasung
Biogas allotherm
Typische Anlagengrösse MWSNG < 10 einige 10
Input Vergasergas/Rohgas pro MWSNG MWRohgas 1.20
Output SNG (normiert) MWSNG 1.00 1.00
CO-Methanisierung
Extra-Input Strom (hElektrolyseur = 75%) MWel - 0.43
Extra-Input H2 MWH2 - 0.33
Zusätzliches SNG (max.) MWSNG - 0.29
CO2- (und CO-) Methanisierung
Extra-Input Strom (hElektrolyseur = 75%) MWel 1.07 1.68
Extra-Input H2 MWH2 0.80 1.26
Zusätzliches SNG (max.) MWSNG 0.67 1.03
CO2-Quelle
Technologie
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 14
Anforderungen Methanisierung für Power to Gas
- Flexible Anlage für dynamische H2-Einkoppelung
- Temperaturkontrolle (thermodynamisches Gleichgewicht)
- CO2-Quelle erforderlich, die bez. Mengen zur H2-Einkoppelung passt
- übliches Konzept: Umwandlung von Biogas (CO2,CH4 ) in
Stromüberschuss-Zeiten
- Alternativen: CO2,aus Luft, Abgasen oder Holzvergaser-Gas (CO, CO2)
Reaktorkonzepte für Methanisierung mit Temperaturkontrolle:
- gekühlter Rohrbündel-Festbettreaktor (ZSW, etogas)
- gekühlte isotherme Wirbelschicht (PSI)
- Blasensäulenreaktor mit Mikroorganismen: biologische Methanisierung
(Krajete, Microbenergy, electrochaea)
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Wärmefreisetzung
(proportional zu CO2
Umsatz)
Temperatur
Wie Wärmefreisetzung in Methanisierung handhaben?
Thermodynamisches Gleichgewicht
Kühlung ~ DT AHX U
TKühlung
~ r DHr
- Kühlung in Festbetten limitiert: Starke Wärmefreisetzung in kleinem Volumen
- Temperaturspitzen schwierig zu vermeiden
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Simulation gekühlter Festbettreaktor
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0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Relative Dichte d [-]
Bre
nn
we
rt H
s, n
[k
Wh
/m3 ]
C2H6
CO2
N2
H2
CH4
Grenzen G260
Grenze H-Gas
G20
G25
H2
N2
CO2
C2H6
CH4
Einspeisequalität gemäss DVGW Richtline G260
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 18
Wärmefreisetzung
(proportional zu CO2
Umsatz)
Temperatur
Wie Wärmefreisetzung in Methanisierung handhaben?
Thermodynamisches Gleichgewicht
~ r DHr
- mehrere Stufen mit Zwischen-Kühlung und/oder Rezirkulation!
PSI, Page 18
Quelle Mangold, Audi
Gekühlte Festbettreaktoren: Stand der Technik
Quelle: etogas, Audi
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 20
Anlagen in Werlte und Rapperswil: Es funktioniert!
Quelle: etogas, Audi
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 21
Wärmefreisetzung
(proportional zu CO2
Umsatz)
Temperatur
Wie Wärmefreisetzung in Methanisierung handhaben?
Thermodynamisches Gleichgewicht
Kühlung ~ DT AHX U
TKühlung
~ r DHr
- Wärmefreisetzung verteilen → grössere Wärmetauscherfläche
- Katalytische Wirbelschicht (>300oC) oder biologische Methanisierung (<65oC)
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T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 22
1 MWSNG PDU: dynamische Reaktion auf H2-Rezirkulation
0
10
20
30
40
50
60
12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00
Zeit [h]
Mo
lfra
kti
on
CO
2,
CH
4 [
%]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Mo
lfra
kti
on
CO
[%
]
CO2
CH4
CO
Variation der H2-RückführungAnfahren der Methanisierung
1 MWSNG
- Isotherme Wirbelschicht-Methanisierung für Holzgas erfolgreich eingesetzt
- Variation H2 entspricht technisch einem Power-to-Gas Verfahren
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 23
Energy System Integration Plattform am PSI
- 100 kW PEM-Elektrolyse und Gas-Tanks H2, CO2, O2
- Pilotanlage Wirbelschicht-Methanisierung (200 kW) für PtG
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 24
Optionen Methanisierungstechnologien
Seite 24
Aspekt Wirbelschicht (PSI)
Gekühltes Festbett (etogas)
Biolog. Methanisierung (electrochaea, Microbenergy)
Temperaturniveau Wärmerückgewinnung + + -
Komplexität Reaktor (Hochskalierung) - (+) + -
Kosten der Unit - -- +
Biogas (CO2, CH4) + + +
Holzvergasergas (CO2, CO, C2H4, CH4) + - -
Technischer Reifegrad 7-8 8-9 6-7
Demo- oder kommerzielle Anlage (TRL) Güssing (1 MWSNG)
Villigen (200 kWSNG)
Werlte (3 MWSNG)
Rapperswil (25 kWSNG)
P2G-BioCat, DK
(500 kWSNG)
etogas electrochaea
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 25 Seite 25
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Dank an
Sinan Teske, Urs Elber
Serge Biollaz, Peter Jansohn
Felix Büchi
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 26
Gleichgewichtslage der CO2-Methanisierung (HSC©)
250 300 350 400 450 500 550 600 6500
5
10
15
20
File: C:\HSC7\Gibbs\Guessing 5 bara H2_CO2 4.OGI
C
kmol
Temperature
H2O(g)
H2(g)
CH4(g)
CO2(g)
CO(g)
Input: 40 kmol H2, 10 kmol CO2 (stöchiometrisch)
Relativ hohe H2-Konzentrationen möglich
T.J. Schildhauer, Thermal Process Engineering, PSI Seite 27
Kohlenstoffquellen für SNG und PtG-CH4
18.09.2015 PSI, Seite 27
Gasreinigung
Gasaufbereitung H2O , CO2 ,
(H2)
Methanisierung
Waldholz, Restholz
Roh-SNG CH4, H2O, CO2, (H2)
Vergasung
Algen, Gülle
Methanisierung
Rein-SNG CH4
(z.B. Mobilität)
Hydrothermale Vergasung
H2 aus Elektrolyse
mit Überschussstrom
CO2 aus Luft/Industrie
Vergärung
Grüngut
H2O Power-to-Gas (CH4)
Biomassen