Entwicklung eines modularen Konzeptes "Wertschöpfungskette Power to Gas" TZN Nordenham - Netzwerk Energieregion Wesermarsch - Technologiezentrum ...
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Entwicklung eines modularen Konzeptes
„Wertschöpfungskette Power to Gas“
TZN Nordenham
Netzwerk
Energieregion
Wesermarsch
Datum: Montag, 8. Februar 2021, Revision 3
Impressum
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Auftragnehmer EnergieSynergie GmbH, Garveshellmer 1, 26939 Ovelgönne
T +49 (4480) 233 125
E-Mail: info@energiesynergie.de
www.energiesynergie.de
Bearbeitung:
• Prof. Dr.-Ing. Carsten Fichter
• Marvin Müller
• Jan-Lukas Huhn
Auftraggeber ZTNW GmbH
Geschäftsführer Technologiezentrum
Jürgen B. Mayer
Walther-Rathenau-Str. 25
26954 Nordenham
Mitgeltende Unterlagen
Keine Anhänge übergeben
Hinweis zum vorliegenden Dokument
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Impressum Gleichstellungshinweis Alle innerhalb des Textteils dieses Dokumentes zum Zweck einer besseren Lesbarkeit und Übersicht in der männ- lichen Form verwendeten Personen-, Amts- oder Funktionsbezeichnungen schließen ausdrücklich die weibliche Form mit ein. Revisionsverzeichnis Revision 0 vom 21.12.2020, Entwurfsfassung Revision 1 vom 24.01.2021, Anpassungen nach Rücksprache mit Herrn Mayer vom 14.01.2021 Revision 2 vom 04.02.2021, komplette Berichterstellung Revision 3 vom 08.02.2021, kleine Korrekturen
Impressum
Inhaltsverzeichnis
Impressum _________________________________________________________________________1
Revisionsverzeichnis _________________________________________________________________2
Inhaltsverzeichnis ___________________________________________________________________3
1 Einleitung - Hintergrund und Ziele __________________________________________________1
2 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch ____________________________3
2.1 Integration in das Netzwerk Energieregion Wesermarsch____________________________4
2.2 TZN als Vernetzungsplattform Wertschöpfungskette Power to Gas __________________ 10
3 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale _________________________________________ 13
3.1 Bereitstellung von grünen Gasen und Kraftstoffen _______________________________ 15
3.1.1 Elektrochemischer Prozess Beispiel zur Herstellung von Wasserstoff am Beispiel
eines Elektrolyseurs ____________________________________________________ 18
3.1.2 Biochemischer Prozess zur Herstellung von Biogas am Beispiel einer Biogasanlage _ 21
3.1.3 Thermochemischer Prozess zur Erzeugung von Syngas am Beispiel einer
UHTH Anlage und einer HyGas Anlage _____________________________________ 24
3.1.4 Vergleich Projektbeispiele Elektrolyseur, Biogasanlage, UHTH und HyGas Anlage __ 29
3.2 Power to Gas Potentiale für KMU und Industrie im Landkreis Wesermarsch ___________ 31
3.3 Beispiele Prozessspezifische Potentiale ________________________________________ 31
3.3.1 Kronos Titan __________________________________________________________ 32
3.3.2 Olenex Edible Oils GmbH (Fettraffinerie Brake) ______________________________ 34
3.3.3 Nordenhamer Zinkhütte GmbH __________________________________________ 36
3.3.4 DMK – Deutsches Milchkontor GmbH _____________________________________ 38
3.3.5 Bäckereien ___________________________________________________________ 40
3.3.6 Industriewäscherei ____________________________________________________ 42
3.3.7 Umstellung der Fähren _________________________________________________ 44
3.4 Potentiale im Sektor Mobilität & Logistik und verarbeitendes Gewerbe ______________ 46
3.5 Beispielhafte Gegenüberstellung Erzeuger- & Verbraucherseite ____________________ 49
3.6 Zusammenfassung der Potentiale und mögliche Förderprogramme _________________ 50
4 Literatur _____________________________________________________________________ 82
1 Einleitung - Hintergrund und Ziele
1 Einleitung - Hintergrund und Ziele
Der Wirtschaftsstandort Wesermarsch bietet eine breit gefächerte Branchenstruktur, die von Hand-
werksbetrieben und produzierenden Industrieunternehmen (z. B. Flugzeugbau, Schiffbau, Elektrotech-
nik, Windkraft- sowie Maschinen-, Metall- und Anlagenbau) am Weserufer bis hin zum Tourismus an
der Küste und im Binnenland reicht. Mit dem Technologiezentrum Nordenham steht ein Zentrum zur
Verfügung, in dem u.a. Technologieprojekte, eine Vernetzung von Unternehmen und der Ausbau von
branchenübergreifenden Synergien ermöglichen.
Um diese Möglichkeiten auch im Bereich Power to Gas 1 zu nutzen und weiter voranzutreiben befasst
sich diese Ausarbeitung mit der Entwicklung von Konzepten für die Platzierung des Themas „Wert-
schöpfungskette Power to Gas“ am Technologiezentrum Nordenham.
Der Begriff Power to Gas Wertschöpfungskette beschreibt den gesamten Prozess von der Erzeugung
von grünen Gasen und Kraftstoffen2, über mögliche Umwandlungsprozesse und die Verteilung bis zum
Verbrauch am Ende der Kette. Diese Power to Gas Kette spielt in der Sektorkopplung und somit vo-
raussichtlich in der zukünftigen Energiewirtschaft eine wesentliche Rolle. Unter Sektorkopplung ver-
steht man den Wechsel unseres konventionellen erdgas- und erdölbasierten Systems hin zur Kopplung
aller Bereiche auf der maßgeblichen Basis von erneuerbarer elektrischer Energie. Um alle Sektoren,
wie beispielsweise den Mobilitäts- und Transportsektor umfassend zu erschließen, bedarf es weiterer
Medien. Hier hat grüner Wasserstoff, als multifunktionaler Basisenergieträger (Power to Gas) und da-
rauf aufbauende Produkte, (generell grüne Gase und Kraftstoffe) eine aussichtsreiche Zukunft.
Das Ziel des vorliegenden Konzeptes ist es, unter dem Dach des Technologiezentrum Nordenham, im
Hinblick auf den Einsatz von Power to Gas in Industrie, Gewerbe und Kommune, in der Stadt Norden-
ham bzw. dem Landkreis Wesermarsch, in enger Kooperation und Abstimmung mit dem zukünftigen
Netzwerk Energieregion Wesermarsch den Aufbau der Strukturskizze - Wertschöpfungskette Power to
Gas (laut Angebot Modul 1, nachfolgend Kapitel 2) und potentielle Projektperspektiven für den Tech-
nologiebereich Power to Gas (laut Angebot Modul 2, nachfolgend Kapitel 3) im TZN darzustellen.
1
Power to Gas, kurz PtG, stellt die Umwandlung von elektrischer Energie, auf Basis von erneuerbaren Energie-
quellen in grüne Gase und Kraftstoffe, wie z.B. grünen Wasserstoff dar.
2
Grüne Gase und Kraftstoffe umfassen: Wasserstoff, synthetisches Erdgas (SNG), Methanol etc. auf der Basis
von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energieanlagen, wie z.B. Windenergieanlagen.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 1
1 Einleitung - Hintergrund und Ziele
Dabei basieren die Strukturskizze und die potentiellen Skizzen für die möglichen Technologieprojekte
auf dem Abgleich der folgenden Konzepte:
• „Umsetzungsempfehlungen Energieprojekte Stadt Nordenham“ wie dem Wirtschaftsaus-
schuss der Stadt Nordenham am 18. November 2019 vorgesellt.
• „Strategiekonzept zur Neuausrichtung der zukünftigen grünen Energiewirtschaft im Land-
kreis Wesermarsch“ wie dem Wirtschaftsausschuss des Landkreis Wesermarsch und den Bür-
germeistern der einzelnen Kommunen am 11. Mai 2020 vorgestellt.
Das Konzept knüpft außerdem an das im Mai 2020 beschlossene Konzept „Neukonzipierung des TZN“
vom Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA). Die Abbildung 1 aus der Präsen-
tation zum Konzept beschreibt den zukünftig geplanten Aufbau des Technologiezentrums und bein-
haltet in dem Bereich Forschung & Entwicklung (F & E) den Unterpunkt „Regionale Bündnisse – Energie
aus Wasserstoff“ (rot eingekreist). An diesem Punkt knüpft das vorliegende Konzept an. Durch die po-
tentiellen Ideen in diesem Konzept, auf Grundlage grüner Gase und Kraftstoffe, ergeben sich wiederum
Synergien zu weiteren Punkten aus den Bereichen Technologietransfer und Qualifikationen.
Abbildung 1 - geplanter Aufbau des Technologiezentrum Nordenham [2]
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 2
2 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
2 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
Das TZN verfügt über eine moderne Infrastruktur an großräumigen Hallen und Büros (rund 6.700 m 2
[8]), die teils zur Förderung der Aktivitäten im Bereich grüner Gase und Kraftstoffe eingesetzt werden
können. Zurzeit liegen die Anwendungsgebiete der Technologie-Entwicklungsprojekte aus dem TZN
hauptsächlich im Flugzeugbau. Es ist geplant, dass künftig auch Projekte aus den Bereichen Schiffbau
und aus der Windenergie vertreten sind. [7]
Die aktuellen Themen und F&E 3-Schwerpunkte des TZN umfassen [7]:
• Verbund- und Leichtbauwerkstoffe
• Automatisierung (zur Fertigung von Großkomponenten) und Fertigungstechnologien (Schwei-
ßen, Kleben, Umformen)
Das TZN wird sich zukünftig weiter gefächert aufstellen und neue Technologiethemen einbinden.
In folgenden Gebieten sind zukünftige Entwicklungen geplant [7]:
• Predictive maintenance
• Mess- und Prüfverfahren
• Flexible Montage
• Digitalisierung der Bildung
• Künstliche Intelligenz
• Anwendungsentwicklung Energiewirtschaft
• Anwendungsentwicklung grüne Gase
Diese Ausarbeitung konzentriert sich dabei auf die Integration des Gebietes „Anwendungsentwicklung
grüner Gase“ und dient zur Erstellung einer generellen Strukturskizze der Wertschöpfungskette Power
to Gas am und im Technologiezentrum Nordenham. Es wird sich dabei auf die Umsetzungs- und Hand-
lungsempfehlungen für die Stadt Nordenham und den Landkreis Wesermarsch gestützt (s. Kapitel 1).
Ein weiterer maßgeblicher Fokus der Strukturskizze ist die mögliche Einbindung/ Integration der Wert-
schöpfungskette Power to Gas am TZN Nordenham in das neu zu errichtende Netzwerk Energieregion
Wesermarsch, um die Strahlkraft und den Bekanntheitsgrad der Themen über die Stadt- bzw. Land-
kreisgrenzen gemeinschaftlich zu erhöhen.
3
F&E: Forschung & Entwicklung
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 3
2 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
2.1 Integration in das Netzwerk Energieregion Wesermarsch
Für einen optimalen Einsatz und Nutzen, der im Technologiezentrum Nordenham vorhandenen Res-
sourcen, ist es maßgeblich, die Bedürfnisse der einzelnen Akteure entlang der Wertschöpfungskette
von grünen Gasen und grünen Kraftstoffen erkennen zu können bzw. diese im Idealfall von den einzel-
nen Akteuren selbst mitgeteilt zu bekommen. Genau aus diesem Grund wurde im Strategiekonzept zur
Neuausrichtung der zukünftigen grünen Energiewirtschaft im Landkreis Wesermarsch die Einführung
eines Netzwerks Energieregion Wesermarsch empfohlen. Verknüpft mit dem Netzwerk soll ein
Roundtable Energiewirtschaft gegründet werden, in dem Vertreter aus der Industrie, Politik, usw. Im-
pulse und Empfehlungen zur Weiterentwicklung der grünen Energiewirtschaft geben.
Diese Anmerkungen der Akteure werden daraufhin durch die neu geschaffene Position des Netzwerk-
managers gebündelt in das Netzwerk Energieregion Wesermarsch eingebracht und dienen als Grund-
lage für die Planung einer sinn- und wirkungsvollen Vorgehensweise zur Förderung der grünen Ener-
giewirtschaft im Landkreis Wesermarsch. Das Netzwerk selbst unterteilt sich dabei in die Schwer-
punkte Energieforschung, Energiekommunikation, sowie in eine Energieplattform. Die Energieplatt-
form umfasst eine Datenbank mit den Energie- und Umweltbilanzen der im Landkreis aktiven Ge-
werbe, eine Übersicht aller Kraftwerke, Projekte im Bereich erneuerbare Energien/ grüne Gase, usw.
Die Abbildung 2 verdeutlicht grafisch den Aufbau des Netzwerks Energieregion Wesermarsch.
Abbildung 2: Aufbau des Netzwerks Energieregion Wesermarsch
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 4
2 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
Um in einer nachfolgenden Betrachtung die Anknüpfungspunkte für das Technologiezentrum an das
Netzwerk identifizieren zu können, werden im ersten Schritt die Aufgaben und gesteckten Ziele des
Netzwerks vorgestellt. Folgende Aufgaben könnten beispielsweise beim Netzwerk Energieregion We-
sermarsch angesiedelt werden:
• Netzwerk kann den KMU und Großbetrieben helfen, ihre Potentiale u.a. im Einsatz grüner
Gase und Kraftstoffe zu erkennen und diese Potentiale wahrzunehmen.
• Ansiedlung neuer Unternehmen im Wärme- und Mobilitätssektor, sowie Industrie, bei de-
nen ein Einsatz von grünen Gasen und Kraftstoffen wie z.B. grünem Wasserstoff wirtschaft-
lich und ökologisch sinnvoll ist.
• Allgemeine Koordination von Fragen und Projektideen rund um grüne Gase und Kraftstoffe
und damit einhergehend Vermittlung und Zusammenführung von Projektpartnern, um Pro-
jekte auf dem Gebiet zu realisieren. Dies könnte eine der zukünftigen Aufgaben des Netz-
werkmanagers der Energieregion Wesermarsch sein.
• Netzwerk Energieregion Wesermarsch kann Bedarfe der Unternehmen identifizieren, z.B.
ob, wieviel und zu welcher Zeit eher Wasserstoff, Biogas oder andere Stoffe benötigt werden
(Daten werden z.B. im Round-Table Energiewirtschaft gesammelt und in der Energieplatt-
form zusammengeführt). Diese Informationen können für eine solide Ausgangsbasis sorgen,
damit eine mögliche PtG Versuchsanlage optimal auf die Bedarfe der Region abgestimmt
werden kann (vergl. nächster Punkt).
• Aufbau einer PtG Versuchsanlage (vergl. Kapitel 3.1) zur Erzeugung von grünem Wasserstoff
aus el. Energie, Gülle oder anderer geeigneten Materialien. Mit den Erfahrungen und Ergeb-
nissen aus dieser PtG Versuchsanlage kann das Netzwerk Energieregion Wesermarsch die
überregionale Politik, sowie andere Gemeinden/ Landkreise bei ihrer Projektentwicklung auf
dem Gebiet der energetischen Verwertung aus verschiedenen Eingangsmaterialien beraten.
Der Landkreis würde zu einem Kompetenzzentrum in Bezug auf grüne Gase und Kraftstoffe
wie z.B. Wasserstoff auf Basis verschiedener geeigneter Eingangsstoffe werden. Ein geeigne-
ter Eingangsstoff kann die im Landkreis entstehende Gülle sein, welche aktuell zu einer Be-
lastung der Böden und des Grundwassers u.a. durch Nitrat aus landwirtschaftlicher Herkunft
führt.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 5
2 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
• Nachverfolgung der durchgeführten Maßnahmen zur Emissions- und Kostenreduktion
• Weiterbildungsangebote für innovative und zukunftsfähige Technologien
• Netzwerk Energieregion Wesermarsch ist die Brücke zwischen der Forschung am TZN und
realen Projekten.
Die gesteckten Ziele des Netzwerks Energieregion Wesermarsch gehen optimal mit der zukünftigen
Ausrichtung des TZNs einher, was zahlreiche Möglichkeiten für enge Kooperationen bietet. Im Folgen-
den wird dargestellt, inwiefern das Technologiezentrum Nordenham, auch im Bereich einer möglichen
PtG Versuchsanlage, ihre vorhandenen Ressourcen in die oben genannten Ziele einbringen kann.
Die Möglichkeiten und Anlagentypen der PtG Versuchsanlage sowie dessen Vor- und Nachteile sind
dem Kapitel 3.1 zu entnehmen.
• Nutzung der vorhandenen und modernen Flächen für den Aufbau einer PtG Versuchsanlage
am TZN, um die Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Materialien wie z.B. Gülle zu verste-
hen und Optimierungslösungen hinsichtlich des Ausgangsmaterials (Wasserstoff, Methan,
Syngas4 etc.) zu erarbeiten. Aus den daraus resultierenden Informationen können wertvolle
Ergebnisse gesammelt werden, um die Technik in der grünen Energiewirtschaft voranzutrei-
ben (siehe Kapitel 3.1 „Bereitstellung von grünen Gasen und Kraftstoffen“).
• Ausstattung einer PtG Versuchsanlage (vergl. Kapitel 3.1) mit Messtechnik und Veröffentli-
chung der Daten auf einer Cloud für den Fernzugriff durch Bildungs- und Forschungseinrich-
tungen aus der ganzen Welt. Datensätze können online frei zugänglich eingesehen und bezo-
gen werden, um in Forschungsprojekten eingebunden zu werden.
Damit das Technologiezentrum Nordenham bzw. der Landkreis Wesermarsch nicht nur einen
Mehrwert für andere bietet, sondern auch von der Veröffentlichung der Daten profitiert,
sollte ein verpflichtender Vermerk bei Präsentationen und Berichten zum TZN bzw. dem
Landkreis vorgeschrieben werden. So könnte für Präsentationen eine Folie und für Berichte
einen Textblock zur Verfügung gestellt werden, die der Nutzer dann dementsprechend bei
Nutzung der Daten verpflichtend einbaut. Diese Folie bzw. dieser Textblock sollte dann vom
4
Syngas: synthetisches Gasgemisch mit unterschiedlicher Stoffzusammensetzung wie Wasserstoff, Methan, Koh-
lenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, etc.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 62 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
TZN bzw. dem Landkreis entworfen werden und könnte Informationen über das Technologie-
zentrum und weitere relevante Informationen enthalten. So würde eine Werbung direkt bei
den Personen ankommen, die von dem TZN und der Region Wesermarsch erreicht werden
möchten (Studenten, Forscher, Politiker, Unternehmen…).
• Evtl. Fernsteuerung der PtG Versuchsanlage durch ausgewählte Bildungs-/Forschungsein-
richtungen möglich.
• Enge Zusammenarbeit mit den Unternehmen, nach der Durchführung von Maßnahmen zur
Emissions- und Kostenreduzierung, um Daten wie z.B. ersetzte fossile Energieträger und ein-
gesparte Treibhausgasemissionen zu erhalten. So können die durchgeführten Projekte verfolgt
und es können Best Practice Beispiele von Unternehmen veröffentlicht werden, um Anreize
und Ideen zum Einsatz grüner Gase und Kraftstoffe für weitere Betriebe zu schaffen.
Die aufgezählten Anknüpfungspunkte gehen mit einem nicht zu vernachlässigenden Arbeitsaufwand
einher und erfordern letzten Endes auch ein hohes Maß an administrativer Arbeit. Diese Arbeit ist
jedoch wichtig, damit zum einen das Betreiben einer solchen PtG Versuchsanlage überhaupt möglich
ist und zum anderen die vorgestellten Themen auch überregional Aufmerksamkeit finden, indem die
vorgestellten Angebote (z.B. Zugriff auf Daten der PtG Versuchsanlage) auch genutzt werden.
Administrative Aufgaben, die mit den aufgezeigten Ideen einhergehen würden, sind:
• Überwachungs-/ Steuerungszentrale der zukünftigen PtG Versuchsanlage im und am TZN
• Abteilungen zur Vermarktung der grünen Gase und Kraftstoffe, zur Verwaltung der Anliefe-
rung der Eingangsmaterialien wie z.B. Gülle, dem Management, der Wartung etc. Für diese
Tätigkeit sowie für die Förderung der zuvor erwähnten Forschung im Bereich Power to Gas
könnte eine Halb- oder Vollzeitstelle geschaffen werden. Eine Stationierung der zuständigen
Person in unmittelbarer Nähe der Anlage und damit im TZN wäre hier eine logische Schluss-
folgerung.
• Verwaltung der Homepage insbesondere der dazugehörigen Datenbank mit Messwerten
aus der möglichen PtG Versuchsanlage (vergl. Kapitel 3.1). Es würde sich anbieten, dass die
zuvor erwähnte Halb- oder Vollzeitstelle diese Aufgabe ebenfalls übernimmt.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 72 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
• Stabstelle für Öffentlichkeitsarbeit zur Aufklärung, Sensibilisierung und verständlichen Dar-
stellung der Technologien gegenüber den Bürgern. Dies könnte z.B. eine der zukünftigen Auf-
gaben des Netzwerkmanagers der Wirtschaftsförderung Wesermarsch sein. Mit Hilfe von In-
formationsveranstaltungen rund um das Thema grüne Energiewirtschaft, kann das gesteckte
Ziel einer Akzeptanzsteigerung realisiert werden.
• Koordination und Verwaltung von Forschungs- und/oder Ausbildungsaktivitäten, sowie Be-
sichtigungen der im TZN stationierten PtG Versuchsanlagen. Diese Aufgabe könnte z.B. durch
den zukünftigen Projektmanager „Living Lab“ übernommen werden.
Aus den dargestellten Verknüpfungspunkten wird ersichtlich, dass die Ansiedlung von Forschungsakti-
vitäten im Bereich Power to Gas am TZN eine hohe Bereicherung für das Technologiezentrum darstellt.
Zum einen wird ermöglicht, das Portfolio an Forschungsarbeiten diverser zu gestalten, da dieses zurzeit
hauptsächlich durch den Bereich der Luftfahrt geprägt ist. Zum anderen gewinnt das TZN durch die
neue Ausrichtung auf zukunftsfähige Energietechnik weiter an Attraktivität z.B. bei Unternehmen aus
dem Bereich der erneuerbaren Energien. Die Forschungsergebnisse aus dem TZN leiten nicht nur den
Landkreis, sondern auch die regionale und überregionale Entwicklung, auf dem Weg in eine klima-
freundliche Energieversorgung auf Basis grüner Gase und Kraftstoffe. Das TZN wird zum Kompetenz-
zentrum und Wegweiser auf dem Gebiet. Es wird immer mehr an Bekanntheit innerhalb der Branche
gewinnen und Hauptakteure in den Landkreis ziehen. Durch die Ansiedlung neuer Firmen im und um
das TZN, aber auch durch die zukünftig im TZN stattfindenden überregionalen Branchentreffs, profi-
tiert neben dem TZN selbst, zudem auch die lokale Wirtschaft sowie das Hotel- und Gastgewerbe.
Die Abbildung 3 zeigt zusammenfassend in grafischer Darstellung eine Übersicht über die gesteckten
Ziele des Netzwerks Energieregion Wesermarsch und die daraus resultierenden Anknüpfungspunkt für
das Technologiezentrum Wesermarsch.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 82 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
Abbildung 3: Konzeptideen im Kontext des Netzwerks Energieregion Wesermarsch
(Farbgebung der Kreise analog dem Netzwerk Energieregion Wesermarsch)
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 92 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
2.2 TZN als Vernetzungsplattform Wertschöpfungskette Power to Gas
Zusätzlich und in enger Verbindung zu den bereits beschriebenen Anknüpfungspunkten an das Netz-
werk Energieregion Wesermarsch ergeben sich am Technologiezentrum Nordenham auf Basis des The-
mas „Wertschöpfungskette Power to Gas“ weitere große Potentiale und Synergie- sowie Vernetzungs-
chancen mit verschiedenen Akteuren aus unterschiedlichen Bereichen. Die nachfolgenden Potentiale
bilden gemeinsam mit den bereits vorgestellten Anknüpfungspunkten eine Vernetzungsplattform im
und am TZN.
Diese Plattform sorgt für einen Austausch und eine Vernetzung zwischen Forschungsinstituten, For-
schern, Kommunen, KMU, Bürgern und der Industrie in der Wesermarsch (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Wertschöpfungskette Power to Gas am TZN
Die Potentiale wie in der Abbildung 4 dargestellt, können wie folgt definiert werden:
• Die PtG Versuchsanlage am TZN (vergl. Kapitel 4.1) kann ebenfalls genutzt werden, um inte-
ressierten Bürgern, Schülern / Studenten die Technik zur Erzeugung von grünen Gasen und
Kraftstoffen näherzubringen und die Akzeptanz zu steigern. Das TZN wird in der Stadt und der
Umgebung bekannter, die PtG Versuchsanlage wird zum Exkursionsziel von Schulklassen aus
der Region und darüber hinaus. Es können u.a. Virtual Reality Führungen durch die gesamte
Prozesskette angeboten werden, die z.B. einen Einblick ins Innere einer solchen PtG Versuchs-
anlage und der dazugehörigen vor und nach geschalteter Technik bieten (einhergehend mit
zukünftigem Entwicklungsziel des TZN: Digitalisierung der Bildung).
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 102 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
Hier knüpft die Idee der Veröffentlichung der Daten per Fernzugriff an. So werden nicht nur
Bildungseinrichtungen aus dem direkten Umkreis erreicht, sondern auch zukünftige Nach-
wuchskräfte und Unternehmen aus allen Gebieten aufmerksam gemacht.
• Aus- und Weiterbildungsort in Bereichen entlang der Wertschöpfungskette, wie zum Beispiel
der Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse-Verfahren oder der Nutzung des
grünen Wasserstoffs durch die Brennstoffzellenfahrzeug-Technik. Das TZN kann in Koopera-
tion mit Aus- und Weiterbildungseinrichtungen, wie zum Beispiel der IHK Stade die Möglichkeit
bieten, diese Techniken verständlich darzustellen und zu vermitteln. Auszubildende können so
mit der Technik und den Komponenten an realen Anlagen vertraut gemacht werden.
Die IHK Stade bietet aktuell Weiterbildungsangebote für LKW-Mechaniker und Mechatroniker
für die Zusatzausbildung an Gas und Elektro LKWs an. Die IHK könnte in Zusammenarbeit, mit
dem TZN und dem neu gebildeten Beirat zum TZN eigene Ideen und Maßnahmen wie z.B. eine
weitere Zusatzausbildung für die Antriebsart Brennstoffzellentechnik anbieten. Das TZN stellt
dabei die Räumlichkeiten sowie eventuell die Technik zur Verfügung.
• Technologieoptimierung Schwerpunkt Materialwissenschaften, z.B. Optimierung der Memb-
rantechnik von PEM-Elektrolyseuren, Effizienzsteigerung von UHTH Anlagen (Zusammenar-
beit mit Anlagenherstellern) etc.
• Jährliche Tagungen/ Konferenzen/ Branchentreffs zum Thema grüne Gase und Kraftstoffe in
den Räumlichkeiten des TZN. Das TZN und die Wesermarsch kristallisieren sich als Treffpunkt
der Branche heraus.
• TZN klimaneutral(er) gestalten: Der erzeugte grüne Wasserstoff bzw. die erzeugten grünen
Gase und Kraftstoffe findet auch direkt im TZN Verwendung: z.B. Eigenversorgung mit
elektrischer Energie und Wärme für das TZN, als Kraftstoff für die Flurfahrzeuge oder als Sub-
stitut fossiler Gase und Kraftstoffe in den F&E-Projekten. Somit kann das TZN Vorreiter dieser
Technik werden und zeigt wie man ein komplettes Technologiezentrum in allen Sektoren (El.
Energie, Wärme, Mobilität und chemischer Stoffbezug) klimaneutral betreiben kann.
• Tanksäule am TZN mit grünem Gas bzw. grünem Kraftstoff, gespeist durch die PtG Versuchs-
anlage. Bürger/Forscher/Unternehmen uvm. können hier lokal und klimaneutral tanken. Das
TZN gewinnt an Bekanntheit in der Region. Es könnte zudem ein Car-Sharing Fahrzeug
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 112 TZN Nordenham und Netzwerk Energieregion Wesermarsch
angeschafft werden, welches durch den lokal produzierten, grünen Kraftstoff betrieben wird.
Bürger/ Unternehmen können das Fahrzeug leihen und werden an die Technik herangeführt.
Hierdurch kann die Hemmschwelle überwunden und der Weg, hin zu einem eigenen, mit
grünen Kraftstoffen betriebenen und klimafreundlichen, Fahrzeug erleichtert werden.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 123 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
3 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Die Wertschöpfungskette Power to Gas (kurz PtG) definiert die Umwandlung eines Eingangsstoffes wie
z.B. elektrischer Energie oder Gülle in grüne Gase und Kraftstoffe. Der Begriff grüne Gase und Kraft-
stoffe oder im speziellen „grüner Wasserstoff“ beschreibt eine nachhaltige Herstellung dieser Stoffe,
da die Produktion CO2-Neutral erfolgt. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die elektrische Energie für
die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyseurs aus einer erneuerbaren Energiequelle, wie z.B.
einer PV- oder Windenergieanlage stammt.
Der erste Teil (Kapitel 3.1) umfasst die Erzeugung von grünem Wasserstoff, Syngas5, Biogas6 etc. Es
wird aufgezeigt, durch welche Prozesse die grünen Gase und Kraftstoffe hergestellt werden können
und mit welchen Wirkungsgraden in den jeweiligen Prozessen gerechnet werden kann.
Im zweiten Teil (Kapitel 3.2) folgt die Analyse der potentiellen Anwendungen (Projekt- und Forschungs-
perspektiven) welche sich im Bereich PtG im Landkreis Wesermarsch und der Wirtschaftskulisse ab-
zeichnen.
Eine Zusammenfassung von möglichen Potentialen für Unternehmen im Landkreis Wesermarsch durch
den Einsatz von grünem Gasen und Kraftstoffen ist dem Kapitel 3.6 Zusammenfassung der Potentiale
und mögliche Förderprogramme zu entnehmen.
5
SNG: Synthetisches Erdgas (Synthetic Natural Gas)
6
Biogas: brennbares Gasgemisch, welches durch Vergärung von Biomasse entsteht und überwiegend aus den
Bestandteile Methan und Kohlenstoffdioxid besteht.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 133 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Die Abbildung 5 zeigt die Wertschöpfungskette PtG in ihrer Gesamtheit. Diese Grafik wird in den ein-
zelnen Kapiteln aufgegriffen, um die Zuordnung der einzelnen Bereiche in dem Gesamtzusammenhang
deutlich zu machen.
Abbildung 5: Prozessschritte Wertschöpfungskette Power to Gas
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 143 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
3.1 Bereitstellung von grünen Gasen und Kraftstoffen
Der aktuell am stärksten im Fokus stehende Vertreter der grünen Gase und Kraftstoffe ist der „grüne
Wasserstoff“, da dieser eine Vielzahl von Potentialen in diversen Einsatzbereichen ermöglicht.
Auch die Politik erkennt das hohe Potential von Wasserstoff in der Energiewende und arbeitet ver-
stärkt an Konzepten zur Förderung der Wasserstoffwirtschaft.
Die Norddeutsche Wasserstoffstrategie wurde am 07. November 2019 von den fünf Norddeutschen
Bundesländern mit folgenden Zielen verabschiedet:
• „Bis zum Jahre 2025 sollen in Norddeutschland mindestens 500 Megawatt und bis zum Jahre
2030 mindestens fünf Gigawatt Elektrolyseleistung zur Erzeugung von grünem Wasserstoff in-
stalliert sein.“ [4]
• „Bis 2025 sollen erste Wasserstoff-Hubs an geeigneten Standorten in Norddeutschland errich-
tet sein und ihren Betrieb aufgenommen haben.“ [4]
Wasserstoff ist ein Energieträger, der die Speicherung elektrischer Energie erlaubt und mit dem netz-
ferne Anwendungen7, wie z.B. der Mobilitäts- und Transportsektor, erschlossen werden können. Als
Speichermedium stellt Wasserstoff ein Schlüsselelement der Energiewende dar, da dieser es ermög-
licht die fluktuierende Leistung aus erneuerbaren Energieanlagen zu speichern und zeitlich versetzt
sowie gebündelt wieder freizugeben. Wasserstoff kann in der Industrie eingesetzt, in Teilen in das Erd-
gasnetz eingespeist werden oder im Mobilitätssektor als Kraftstoff dienen. Dank Wasserstoff ist somit
eine weitere Kopplung des elektrischen Energiesektors mit dem Mobilitätssektor möglich. Dies stellt
eine enorme Flexibilisierung des Gesamtsystems dar.
Wasserstoff kann dazu dienen:
• als grüner Wasserstoff aus elektrischer Energie von Erneuerbaren Energieanlagen zum Klima-
schutz beitragen
• als Grundlage für die Umwandlung von Methan dienen und während diesem Prozess CO2 aus
anderen Prozessen aufnehmen
• im Sektor Verkehr als Antriebsstoff dienen
7
Netzferne Anwendungen: Anwendungen, in denen keine direkte Anbindung an z.B. das Stromnetz genutzt wird
(Beispiel: Schifffahrt)
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 153 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
• als Substitut in der Industrie, z.B. im Prozess der Hydrierung dienen
• als Energiespeicher für netzferne Anwendungen dienen
• in Wasserstoff-Gasturbinen der Erzeugung elektrischer Energie und Wärme dienen
Biogas kann dazu dienen:
• zur Einspeisung in das Erdgasnetz verwendet werden (Substitution von Erdgas)
• als Bio-Treibstoff im Mobilitätssektor gasförmig als SNG (Synthetic Natural Gas) und verflüs-
sigt als LNG (Liquefied Natural Gas) zum Einsatz kommen
• als Energiequelle für die Wärmeversorgung genutzt werden
• in Kraftwerken verstromt werden und somit zur stetigen Einspeisung grüner elektrischer
Energie beitragen
• als Substitut in der Industrie dienen
• als Quelle für grünes CO2 dienen, welches in der Biogasanlage freigesetzt wird und in ande-
ren Prozessen der Energiegewinnung, beispielsweise der SNG-Herstellung, oder in der In-
dustrie verwendet werden kann
Die Bereitstellung grüner Gase und Kraftstoffe kann durch verschiedene Prozesse und mit unterschied-
lichen Rohstoffen verwirklicht werden. Je nach Prozess und Rohstoff stehen neben dem Wasserstoff
auch andere grüne Energieträger wie zum Beispiel Biogas, Syngas, Methan, SNG8, LNG9 oder Methanol
zur Verfügung.
Diese können beispielsweise als Substitut für konventionelle Energieträger wie konventionelles Erdgas
für die Produktionsprozesse der umliegenden Industrie oder als alternativer Kraftstoff für den Sektor
Mobilität und Logistik eingesetzt werden.
Um eine Beurteilung der verschiedenen Prozesse und dessen Nutzen in der Gesamtbetrachtung „Wert-
schöpfungskette Power to Gas“ für das TZN und dem Landkreis Wesermarsch treffen zu können, wer-
den zunächst vier verschiedene Prozesse zur Erzeugung von grünen Energieträgern vorgestellt und
hinsichtlich ihres Wirkungsgrades und der benötigten Ein- und Ausgangsstoffe analysiert.
8
SNG: Synthetisches Erdgas (Synthetic Natural Gas)
9
LNG: Flüssiges Erdgas (Liquefied Natural Gas)
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 163 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Dies ist zum einen der elektrochemische Prozess am Beispiel eines Elektrolyseurs, welcher unter an-
derem durch die Nutzung der elektrischen Energie aus den abgeschalteten PV- und Windenergieanla-
gen, aufgrund von Einspeisemanagement betrieben werden kann.
Weiter wird der thermochemische Prozess, am Beispiel einer Ultra Hoch Temperatur Hydrolyse Anlage
(kurz UHTH) sowie einer weiteren Anlage zur Verwertung von wässrigen organischen Abfällen mit dem
Namen HyGas, und der biochemische Prozess, am Beispiel einer Biogasanlage, betrachtet.
Der Prozess der Bereitstellung von grünen Gasen und Kraftstoffen bildet den Anfang der bereits im
letzten Kapitel aufgezeigten Wertschöpfungskette (siehe Abbildung 6).
Abbildung 6: Herstellung der grünen Gase und Kraftstoffe
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 173 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
3.1.1 Elektrochemischer Prozess Beispiel zur Herstellung von Wasserstoff am Beispiel eines Elekt-
rolyseurs
Die Herstellung von grünem Wasserstoff aus elektrischer Energie erfolgt durch Elektrolyse in einem
Elektrolyseur. Die Wasserstoffproduktionskette ist in Abbildung 7 dargestellt. Aus elektrischer Ener-
gie, z.B. aus Windenergieanlagen, wird in einem Elektrolyseur Wasser in die Bestandteile Wasserstoff
(H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Dies wird als Power to Gas-Prozess (PtG) bezeichnet. Der Was-
serstoff kann u.a. in weiteren Syntheseschritten durch den Einsatz von CO2 in Methan und weiter
Methanol umgewandelt werden.
Abbildung 7: Ablauf Produktionskette mit Verarbeitung in einem Elektrolyseur
Dem Strategiekonzept für den Landkreis Wesermarsch ist zu entnehmen, dass in der Wesermarsch
kalkulatorisch im Jahr bis zu 27,6 GWh elektrische Energie aufgrund von Regelungsmaßnahmen seitens
der Netzbetreiber abgeregelt werden. [22]
Um für den Standort Wesermarsch eine Aussage über die zur Verfügung stehende Energiemenge auf
Grundlage des Einspeisemanagements in Form von grünem Wasserstoff bzw. von grünem Methan
treffen zu können, zeigt die Abbildung 8 den Energiestrom der elektrischen Energie aus Erneuerbaren
Energiequellen in Verbindung mit einem Elektrolyseur und einer Methanisierungsanlage. Für den
Elektrolyseur wurde ein aktuell durchschnittlicher Wirkungsgrad von 54% gewählt und für den Prozess
der Methanisierung ein Wirkungsgrad von 78%. Wichtig zu beachten ist, dass diese Daten auf Annah-
men mit Durchschnittswerten beruhen und je nach Anbieter und Art des Elektrolyseurs und der Me-
thanisierungsanlage variieren können.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 183 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Abbildung 8: Energiestrom - Wasserstoff und Methan auf erneuerbarer Energie [8]
Unter Berücksichtigung der stoffspezifischen Eigenschaften wie Energiedichte und Dichte kann von
den bekannten Energiemengen auf die Massen und Volumina des erzeugten Wasserstoffs und Me-
thans geschlossen werden. Diese Informationen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammenge-
fasst. [9]
Tabelle 1: Errechnete Massen aus gegebener Energiemengen [10]
Wasserstoff Methan
Energie 14,9 GWh 11,6 GWh
Energiedichte 33,3 kWh/kg 13,9 kWh/kg
Masse in kg 447.567,6 kg 836.339,6 kg
Masse in t 447,6 t 836,3 t
Dichte 0,0899 kg/Nm3 0,657 kg/Nm3
Volumen in Nm3 4.978.504,6 Nm3 1.272.967,4 Nm3
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 193 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Da auch der Verbrauch von Wasser für den Betrieb des Elektrolyseurs und der Verbrauch von CO 2 für
den Prozess der Methanisierung wichtig ist, zeigen die nachfolgenden Abbildung 9 und die Abbildung
10 die Massenströme für diese Prozesse.
Abbildung 9: Massenstrom Elektrolyse [8] Abbildung 10: Massenstrom Methanisierung [12]
Aus den dargestellten Massenströmen ergeben sich aus der Verarbeitung der abgeregelten elektri-
schen Energie aus dem Einspeisemanagement die folgenden benötigten Mengen für Wasser und Koh-
lenstoffdioxid pro Jahr (siehe Tabelle 2).
Tabelle 2: Vergleich der Input- und Output-Massen im PtG-Prozess
Elektrolyse Methanisierung
Input
Wasserstoff 447,6 t
Wasser 4.028,1 t
Kohlenstoffdioxid 2.148,9 t
Output
Wasserstoff 447,6 t
Methan 836,3 t
Wasser 1.760,1 t
Sauerstoff 3.580,5 t
Für die Verarbeitung der elektrischen Energie aus dem Einspeisemanagement werden damit jährlich
rund 4.000 Liter Wasser für die Herstellung von Wasserstoff und knapp 2.150 Tonnen Kohlenstoffdi-
oxid (CO2) für die Weiterverarbeitung des Wasserstoffs zu Methan benötigt.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 203 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
3.1.2 Biochemischer Prozess zur Herstellung von Biogas am Beispiel einer Biogasanlage
Wie viele andere Gebiete in Deutschland hat auch das Land Niedersachsen mit einer hohen Nitratbe-
lastung10 seiner Böden und seines Grundwassers durch den Eintrag aus landwirtschaftlicher Gülle zu
kämpfen. Es drohen erhebliche Strafzahlungen, die aufgrund des Überschreitens von Nitrat-Grenzwer-
ten in einem großen Teil des Grundwassers von der Bunderepublik an die EU entrichtet werden müss-
ten. Ursache für die Übersättigung des Bodens ist vor allem der hohe Eintrag von u.a. Nitrat durch das
Düngen landwirtschaftlicher Anbauflächen mit Mist und Gülle aus der Nutztierhaltung. Im Landkreis
Wesermarsch gibt es allein 126.066 Rinder [80], die jährlich 1.734.757 m3 Gülle [81] produzieren, was
einer Energiemenge von mehr als 1,6 TWh [82] entspricht. [22]
Biogasanlagen haben sich in Norddeutschland etabliert und stellen einen alternativen Entsorgungs-
und Weiterverwertungsweg für die Überproduktion an tierischen Ausscheidungen dar, um die Menge
der auf landwirtschaftlichen Flächen aufgetragenen Mist und Gülle zu reduzieren und aktiv das Grund-
wasser und die Umwelt zu schützen.
Der Betrieb einer Biogasanlage bietet eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Methode, um dem
Entsorgungsproblem von Gülle und Mist entgegenzuwirken, und zeigt obendrein Wege auf, wie diese
Abfälle als wertvolle Rohstoffe für die Erzeugung von energiereichem Gas und Abwärme neuverstan-
den werden können. [20] Die nachfolgende Abbildung 11 verdeutlicht den Ablauf der Wertschöpfungs-
kette von organischen Abfällen in einer Biogasanlage.
Abbildung 11: Ablauf Produktionskette mit Verarbeitung in einer Biogasanlage
10
Nitrat: Ein Nährstoff, der essentiell für das Wachstum von Pflanzen ist. Bei zu hoher Nitratkonzentration in den
Böden, kann dies nicht vollständig von den Pflanzen aufgenommen werden und gelangt in zu hoher Menge in
das Grundwasser.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 213 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Zur Nutzung eines Teils der im Landkreis Weserarsch jährlich anfallenden Gülle, in Höhe von rund
1.734.757 m3, gibt es bereits einen interessierten Finanzinvestor für die Biogaserzeugung aus Gülle.
Die Rahmenbedingungen für die Verarbeitung der Gülle in einem solchen Prozess könnten wie folgt
aussehen:
In einem geschlossenen und autarken System würden ausschließlich regionale landwirtschaftliche Ab-
fälle (Gülle) zu grünem Biogas weiterverwertet werden.
Vor der Verarbeitung der Gülle in einer Unterdruckhalle erfolgt der Antransport lediglich tagsüber an
Werkstagen und in geschlossenen Behältern, sodass Störungen durch Geruchsemissionen durch die
Gülle vermieden werden sollen. Das im Prozess gewonnene und aufbereitete Biogas kann in das örtli-
che Erdgasnetz eingespeist werden und somit zur Reduktion der CO2 Emissionen beitragen, die durch
den Verbrauch von importiertem Erdgas entstehen. Die im Prozess zurückbleibenden Gärreste können
nach der Trocknung zur Wärmegewinnung herangezogen werden, indem sie in einem Drehrohrofen
thermisch verwertet werden. [20]
Des Weiteren werden Nährstoffe11 in einer Strippinganlage zurückgewonnen und das entstehende Ab-
wasser aufbereitet. Auf diesem Weg sollen in der Anlage bis zu 100t Biomasse pro Tag verarbeitet
werden können. [20] Die Service- und Wartungsübernahme soll durch regionale Betriebe erfolgen und
auch die Entstehung von 4 Arbeitsplätzen für den Betrieb der Anlage sowie der Verbleib der Gewerbe-
steuern in der Gemeinde zur Lokalwirtschaft beitragen. [20]
Für eine erste Berechnung des bei diesem Prozess zur Verfügung stehenden Biogases wird von Rinder-
gülle mit einer Trockenmassesubstanz von 8-11% ausgegangen. Pro Tonne Rindergülle können etwa
25 Nm3 Biogas produziert werden. [11]
11
Nährstoffe: „Als Nährstoffe bezeichnet man verschiedene organische und anorganische Stoffe, die von Lebe-
wesen zu deren Lebenserhaltung aufgenommen und im Stoffwechsel verarbeitet werden.“ [21]
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 223 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Das entstehende Biogas besteht zum größten Teil aus Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Die
durchschnittliche Zusammensetzung des Biogases ist der nachfolgenden Tabelle 3 zu entnehmen. [13]
Tabelle 3: Durchschnittliche Zusammensetzung Biogas [13]
Bestandteil Konzentration
Methan (CH4) 50 – 75 Vol. %
Kohlenstoffdioxid (CO2) 25 – 45 Vol. %
Wasser (H2O) 2 – 7 Vol. %
Stickstoff (N2)3 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
3.1.3 Thermochemischer Prozess zur Erzeugung von Syngas am Beispiel einer UHTH Anlage und
einer HyGas Anlage
Mit dem modernen Verfahren der Ultrahochtemperaturhydrolyse (folgend UHTH) gibt es eine weitere
Variante für die Verwertung von tierischen Ausscheidungen mit einem noch höheren Potenzial für eine
effiziente Energiegewinnung. Der Wirkungsgrad bei der Gewinnung von Energie aus organischen Ma-
terialien beträgt laut Hersteller zwischen 90% und 95%. [66] [117]
Eine UHTH Anlage kann als Alternativprozess zu einer Biogasanlage eingesetzt werden. Die UHTH bie-
tet die Möglichkeit eine diverse Palette an erneuerbaren Energieträgern (Syngas) bereitzustellen.
Somit kann aus einem niederkalorischen, organischen Material (Gülle), auf einem umweltfreundlichen
und kostengünstigen Weg, ein hochkalorisches Syngas umgesetzt werden. [22]
Die nachfolgende Abbildung 13 verdeutlicht den Ablauf der Wertschöpfungskette von organischen Ab-
fällen bzw. nicht recyclebarem Kunststoff in einer thermochemischen Prozessanlage.
Abbildung 13: Ablauf Produktionskette mit Verarbeitung in einer thermochemischen Anlage
Im „Strategiekonzept Landkreis Wesermarsch“ wird die Etablierung von z.B. UHTH Anlagen als Hand-
lungsempfehlung Nr. 4 berücksichtigt und kann als Alleinstellungsmerkmal für die Region dienen. Be-
teiligte Investoren und Landwirte wären Profiteure einer solchen Anlage, die außerdem zur Reduktion
von klimaschädlichen Emissionen, zu einer Entlastung der Böden und dementsprechend des Grund-
wassers führt. Dies trägt somit zum Wohlergehen der Allgemeinheit sowie dem Klima- und dem Um-
weltschutz bei. Im Technologiezentrum Nordenham könnte diese innovative UHTH Anlage (auch vir-
tuell) zu Versuchszwecken installiert werden. Dadurch ist es möglich, zum einen diese neue Technik zu
erproben und zu etablieren sowie zum anderen als Vorreiter der grünen Energiewirtschaft über die
Kreisgrenzen hinaus bekannt zu werden. [22]
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 243 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale Prozessbeschreibung UHTH Anlage Gülle setzt sich aus bis zu 90% Wasser, organischem Material wie unverdaulichen Pflanzenfasern, Mi- neralien und gelösten Nährstoffen zusammen. [23] Vor dem Eingang in den Entgasungsprozess der UHTH Anlage wird das Rohmaterial daher zunächst entwässert und auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 30% getrocknet. Nach der Entfernung jeglichen Sauerstoffes findet die UHTH in einem Hochtemperaturreaktor bei 1100 - 1350°C statt, wobei festes anorganisches Material zurückbleibt. Das Gas tritt aus dem Entgasungsprozess mit einer Temperatur von ungefähr 900°C aus und wird schnell abgekühlt. Metalle, Halogene, Salze und andere Bestandteile fallen aus. Die bei dem Prozess entste- henden Brüden werden gereinigt und filtriert, um Geruchsemissionen zu vermeiden. Das aufbereitete hochreine Synthesegas (Syngas), welches als Endprodukt des UHTH-Verfahrens entsteht, kann gespei- chert und in Folgeprozessen verarbeitet werden. Der Hersteller benennt die Vorteile der UHTH folgen- dermaßen: keine Verbrennung, komplette Umwandlung des Kohlenstoffs, ungiftig sowie rauch- und verschmutzungsfrei, sehr energieeffizient und ökologisch, norm- und richtlinienkonform sowie zertifi- ziert, modular sowie wirtschaftlich und nicht kostenintensiv. Pro Jahr können je nach Anlagenmodell und Eingangsrohstoff 1.600 - 16.000 t Material verarbeitet werden, was einer Syngasproduktion von 1,4 - 48 Mio. Nm3 entspricht. [24, 66] Potenziale UHTH Bei dem Betrieb einer UHTH Anlage bieten sich viele Chancen und Potenziale, deren Umsetzungen angesichts des Klimawandels und der Notwendigkeit einer zukunftsgewandten Landwirtschaft und Energiewirtschaft deutlich zu empfehlen sind. Aktuell beläuft sich der Energieverbrauch des Landkrei- ses Wesermarsch in den Bereichen Erdgas, Kraftstoffe und elektrische Energie auf jeweils mehr als 1 TWh. [22] Während der Elektrizitätssektor bereits zu einem Großteil durch die Einspeisung erneuerba- rer Energien gedeckt wird, besteht weiterhin großes Ausbaupotenzial, was die Ersetzung von fossilen Energieträgern durch regenerative Energien in anderen energieintensiven Bereichen angeht. Die lo- kale Industrie sowie Hafenanlagen und die Landwirtschaft im Landkreis sind Großverbraucher und kön- nen mittels Sektorenkopplung mit den Ausgangsprodukten der UHTH Anlage verknüpft werden und somit zu einer deutlichen Reduktion der CO2-Emissionen beitragen. Bei einem Heizwert von 13 MJ/Nm3 besteht Syngas neben 40% - 65% Wasserstoff (H2) und bis zu 30% Methan (CH4) auch zu großen Teilen aus grünem Kohlenstoffdioxid (CO2) und -monoxid (CO). [66] Syn- gas bietet folglich verschiedenste vielversprechende ökologische sowie ökonomische Verwendungs- möglichkeiten. Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 25
3 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Wie bereits für die anderen Prozesse aufgezeigt, wurde auch für das Verfahren der Ultrahochtempe-
raturhydrolyse (UHTH) eine Berechnung der zur Verfügung stehenden grünen Energieträger (hier Was-
serstoff und Methan) auf Basis von nicht recyclebarer Kunststoff (Informationen Hersteller) durchge-
führt und dieses in einem Sankey Diagramm dargestellt (Abbildung 14).
Abbildung 14: Sankey Diagramm für den Prozess in einer UHTH Anlage
Mit Hilfe einer einzelnen UHTH Anlage können so pro Jahr rund 320 Tonnen Wasserstoff mit einem
Energiegehalt von 10 GWh und 856 Tonnen Methan mit einem Energiegehalt von 13 GWh erzeugt
werden.
In dieser Kalkulation ist als Eingangsstoff nicht recyclebarer Kunststoff gewählt worden, da für dieses
Material die benötigten Informationen zur Verfügung stehen. Für weiterführende, detaillierte Be-
rechnungen mit dem Eingangsstoff Gülle steht der Hersteller der UHTH Anlage (Exoy Green Systems
AG) zur Verfügung. Das Unternehmen ist in der Lage, nach dem Einsenden einer Laboranalyse über
die Zusammensetzung der Gülle eine genauere Aussage über die Zusammensetzung der Ausgangs-
stoffe zu treffen. Ebenfalls bietet das Unternehmen den Interessenten die Möglichkeit in der zur Ver-
fügung stehenden Versuchsanlage das Eingangsmaterial zu Testzwecken zu fahren.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 263 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Prozessbeschreibung HyGas Anlage
Eine weitere Möglichkeit zur Verwertung von organischen Eingangsstoffen, wie z.B. der vorhandenen
Gülle besteht durch den Einsatz einer HyGas Anlage des Unternehmens Agro Power GmbH. Im HyGas
Verfahren findet eine überkritische Gaserzeugung statt, die alle Inhaltsstoffe des organischen Materi-
als verwertet. Dabei stehen die Nährstoffsalze wie Phosphat und Ammonium separiert in fester Form
zur Verfügung und auch das im Prozess anfallende Wasser ist nach dem Wasserhaushaltsgesetz und
der allgemeinen Abwasserverwaltungsvorschrift einleitungsfähig. [15]
Für den PtG- Prozess werden nachfolgend die Ausgangsstoffe des Prozesses und die Zusammenset-
zung des entstehenden Syngas betrachtet, um anschließend eine Aussage über die zur Verfügung
stehenden Mengen an grünem Syngas und grünem Methan zu treffen.
Die Werte stammen aus einer Präsentation der Agro Power GmbH und sind die Grundlage für das
laufende Genehmigungsverfahren GAA Oldenburg. Dabei ist zu beachten, dass diese Werte ähnlich
wie bei der UHTH Anlage des Unternehmens Exoy Green Systems AG nur als Richtwerte dienen, da
keine exakte Mengendefinition der Ausgangstoffe möglich ist. Hierfür müssen zunächst die Zusam-
mensetzung der Eingangsstoffe genau definiert und idealerweise zunächst in einer Versuchsanlage
probeweise gefahren werden.
Laut Information des Herstellers ergibt sich bei Organischem Material (Gülle, Gärreste, Klärschlamm,
Grünschnitt und Biotonne) als Eingangsstoff die Syngas Zusammensetzung wie in der nachfolgenden
Abbildung 15 dargestellt.
Abbildung 15: Zusammensetzung Syngas aus HyGas Anlage [Vol. %]
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 273 Wertschöpfungskette PtG - PtG Potentiale
Als Ausgangsstoff stehen nach dem Prozess in der HyGas Anlage sowohl Wasserstoff als auch Methan
zur Nutzung zur Verfügung. Ebenfalls kann das CO2 in Kombination mit dem zur Verfügung stehenden
Wasserstoff in einem weiteren Prozessschritt zu Methan/ Methanol verarbeitet werden. Die Abbil-
dung 16 zeigt ein vereinfachtes Sankey Diagramm, welches nutzbare Energiemengen und Massen des
Wasserstoffs und Methans nach der Verarbeitung in der HyGas Anlage darstellt.
Abbildung 16: Sankey Diagramm HyGas Anlage vereinfacht [16]
Die HyGas Anlage erzeugt damit aus der Organik als Eingangsmaterial jährlich rund 11,5 Tonnen
Wasserstoff mir einer Energiemenge von circa 380 MWh und 122 Tonnen Methan mit einer Ener-
giedichte von rund 1.850 MWh.
Entwicklung eines modularen Konzeptes „Wertschöpfungskette Power to Gas“ TZN Nordenham 28Sie können auch lesen
