Methanisierung von Wasserstoff - aktueller Status der F&E-Entwicklungen Johannes Lindorfer - Energieinstitut an der Johannes Kepler ...
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Methanisierung von Wasserstoff
aktueller Status der F&E-Entwicklungen
Johannes Lindorfer
Gerda Reiter
Viktoria Leitner
Horst Steinmüller
1
Energieinstitut
an der Johannes Kepler Universität Linz
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI Salzburg
Agenda
Methanisierung von Wasserstoff im Kontext Power-to-Gas:
Situation der Entwicklungen
Chemisch-katalytische vs. biologische Methansierung
Überblick zu einigen laufenden F&E Projekten in Österreich
Projektkonzept des Research Studio Austria ,OptFuel‘
2
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI Salzburg
Methanisierung von Wasserstoff –
im Kontext Power-to-Gas
Power-to-Gas
= Produktion von Wasserstoff H2 aus (erneuerbarer)
Quelle: Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz
elektrischer Energie
= Produktion von synthetischem Methan CH4 aus
Wasserstoff und Kohlendioxid
Treiber
Chemische Speicherung von Überschussenergie,
Transport elektrischer Energie über das bestehende Erdgasnetz
H2 als Einsatzstoff für chemische Produkte
3
Bereitstellung von erneuerbaren Kraftstoffen (CNG, H2)
TARDIS 2008
Kongress | ,Renewable
biogas14 resource 2014
| 3. Dezember controversy‘ | Lindorfer., J.
| WIFI Salzburg
Power-to-Gas Anlagen in Deutschland
4
Status Jänner 2014
Quelle: Steinmüller et al. (2014)
TARDIS 2008
Kongress | ,Renewable
biogas14 resource 2014
| 3. Dezember controversy‘ | Lindorfer., J.
| WIFI Salzburg Power-to-Gas – eine Systemanalyse
Betriebserfahrungen von Power-to-Gas Anlagen
Status März 2014
PtG- Anschluss- VLS / BS Anlagen- avisierter Betrieb
Anlage leistung betriebsdauer
Anlage A 0,5-1 MWel ca. 1.600 VLS 29 Monate Peak Shaving WEA (3.000-4.000 BS pro Jahr)
Anlage B < 0,5 MWel ca. 1.700 VLS ca. 50 Monate Peak Shaving WEA
Anlage C 0,5-1 MWel ca. 300 BS 15 Monate Bandfahrweise WEA / autonom. Peak Shaving
(Planung)
Anlage D < 0,5 MWel 40 BS 9 Monate leistungsgeführt PV
Anlage E > 1 MWel ca. 900 VLS 9 Monate Strompreisgeführt (3.000-4.000 VLS pro Jahr)
Anlage F > 1 MWel Testbetrieb 9 Monate Peak Shaving EE (3.000 VLS pro Jahr)
Quelle: Graf, F. (2014) Gas-Wasser-Tag 2014, DVGW-Landesgruppe Baden-Württemberg, Stuttgart,
aus DVGW-Projekt G3 01 12 B „Techno-ökonomische Studie von PtG-Konzepten
Die Hauptanlagenkomponenten (Elektrolyse / Methanisierung)
arbeiten durchwegs zuverlässig
Die derzeit verfügbaren Betriebserfahrungen sind zu erweitern
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TARDIS 2008
Kongress | ,Renewable
biogas14 resource 2014
| 3. Dezember controversy‘ | Lindorfer., J.
| WIFI Salzburg
H2-Toleranz von Komponenten in der Gasinfrastruktur
Forschungs- und Untersuchungsbedarf Anpassungsbedarf H2 Zumischung unbedenklich
70
H2 in Erdgas / vol.-%
60
50
40
30
20
10
0
Gasturbine *
Porenspeicher
Speichertank
Gasmengenkonverter
Kavernenspeicher
Gaszähler
atmos. Gasbrenner
Odorieranlage
Hausinstallation
Stirlingmotor
Brennstoffzelle
Transportleitung
Kompressor
Druckregelgeräte
Dichtungen
BHKW
Gasströmungswächter
Motor CNG Fahrzeug **
Gasherd
Verteilleitungen (Stahl)
Brennwertkessel
Verteilleitungen (PE)
Gaschromatograph *
Tank CNG Fahrzeug **
Transport Speicherung Messung Verteilung Anwendung
Quelle: adaptiert von Müller-Syring, G., et al (2013) Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und
Einspeisung von Wasserstoff und Methan in das Erdgasnetz. DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, Bonn.
Methanisierung 6
aufgrund rechtlicher / technischer / systemischer Gegebenheiten
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI Salzburg
Technische Daten zu Methanisierungsprozessen
Tabelle: Technische Daten der Methanisierungsprozesse
Technische Daten CO2 Methanisierung CO Methanisieung biologische Methanisierung
grundlegende
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O CO + 3H2 → CH4 + H2O CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Reaktion
Biokatalysatoren
(Mikroorganismen der Familie der
Katalysatoren Ni (Ru, Ir, Rh, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag)
Archaeen - Methanobacteria,
Methanococci, Methanomicrobia)
Druckbereich 6-8 bar 13-60 bar 1-3 bar
Temperatur 180-350 °C 300-700 °C 30-60 °C
Umwandlungseffizienz 70-85 % 75-85 % 85-95 %
Stand der Entwicklung Demonstrationsmaßstab Stand der Technik Labor-/Demonstrationsmaßstab
Tabelle: Reaktorkonzepte für die Methanisierung
strukturierte Packung Drei-Phasen
Technische Daten Festbett Wirbelschicht
(Waben) (Blasensäule)
Katalysator in
Kleinere Katalysatorpartikel Katalysator auf Struktur mineralischem Öl
Katalysator Festbett mit Katalysator
(Fluidisierung) aufgebracht aufgeschwemmt;
Gasblasen
Stufen 2-6 1 n/a 1
Druckbereich 25-80 bar 20-60 bar n/a 70 bar
Temperatur 230-780 °C 350-500 °C n/a 340 °C
Kohle, Biomasse,
Edukte Petrolkoks, Schweröl, Kohle, Biomasse n/a n/a
Naphtha 7
Stand der
kommerziell (Lurgi, TREMP) halb-kommerziell (Comflux) Labormaßstab Pilotmaßstab
Entwicklung
Quelle: div. Literaturquellen
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgAktuell untersuchte Prozessvarianten der
biologischen Methanisierung
„in-situ“
integrative Methanisierung (Co-Fermentation Biogas)
„ex-situ“
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selektive biologische Methanisierung Quelle: eigene Darstellung
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgStatus Quo der biologischen Methanisierung
Spezialkultur aus hydrogenotrophen Methanogenen zur Umsetzung
von H2 und CO2 zu CH4
Etablierung der richtigen Biozönose im Fermenter notwendig, um Methanisierung zu
ermöglichen
Technische Machbarkeit der biologischen Methanisierung ist nachgewiesen
Bisherige berichtete Erfahrungen:
- keine Verschlechterung der Produktgasqualität bei on/off-Betrieb
- Bessere Verfügbarkeit von Wasserstoff für die Mikroorganismen bei höheren Drücken
- Etablierung der richtigen Biozönose im Fermenter notwendig, um Methanisierung zu
ermöglichen
- Keine zusätzliche Nährstoffzufuhr notwendig
- CH4 und andere Begleitgase im Eduktgas beeinflussen die Methanisierungsreaktion nicht
- nur sehr geringe Austauschraten des Bioschlamms notwendig zum Erhalt der Zelldichte
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Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgStatus Quo der biologischen Methanisierung
Verbesserung der Verfahren durch praktische Umsetzung in Pilot- bzw.
Demonstrationsprojekten
Installierte Leistung
Projekt Ort Staat Methanisierung Quelle
[kW]
Electrochaea Foulum DK 250 biologisch L. Grond, P. Schulze, and J. Holstein,
“Systems Analyses Power to Gas:
Deliverable 1: Technology Review,” DNV
MicrobEnergy GmbH Schwandorf GER 100 biologisch
KEMA Energy & Sustainability, Groningen,
Jul. 2013.
http://www.greengasgrids.eu/fileadmin/gre
Fraunhofer UMSICHT Oberhausen GER Laboranlage biologisch engas/media/Downloads/GGG_SWOT_an
alysis_FINAL.pdf
Krajete GmbH Linz AUT Laboranlage biologisch http://www.krajete.com/
Quelle: eigene Zusammenstellung ohne Anspruch auf Vollständigkeit
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Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgVergleich biologische vs. chemische
Methanisierung
Parameter Biologische Methanisierung Chemische Methanisierung
Katalysator Enzyme der Mikroorganismen z.B. Ni
Festbett, Wirbelbett,
Rührkessel, Perkolatreaktor,
Reaktor Betriebsweise Blasensäule, Waben adiabat,
Membranreaktor isotherm
isotherm, polytrop
Temperatur 40 - 70 °C 300 - 500 °C
Druck > 1 bar > 10 bar
Entwicklungsstand Pilot Kommerziell (CO-Meth.)
Messdaten: 0,05 - 150 h-1
GHSV (Raumgeschwindigkeit) 500 – 5.000 h-1
Berechnungen: max. 335 h-1
max. vol.-spez. Methanbildungsrate 67 l/(lh) 1.000 l/(lh)
Thermodynamik Blasensäule:
Limitierung Gas-flüssig Stofftransport
Gas-flüssig Stofftransport
Erzeugung einspeisefähiges Gas
möglich möglich
(yCH4,max > 95 mol-%)
Schwefeltoleranz hoch gering
Lastwechseltoleranz flexibel mäßig flexibel
Hilfsstoffe Spurenstoffe −
Abwärmenutzung bedingt möglich sehr gut möglich
Quelle: DVGW-EBI; diverse Literaturquellen
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Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgVergleich biologische vs. chemische
Methanisierung
Biologische Methanisierung wird derzeit im Pilotmaßstab realisiert, Demoanlagen
in Planung
Einbringung des Wasserstoffs erscheint als verfahrenstechnische Herausforderung
Vorteilhaft an biologischer Methanisierung sind hohe Flexibilität und Robustheit
gegenüber Spurenstoffen
Biologische Methanisierung ist eher für kleinere Anlagengrößen geeignet
Hohe Produktgasqualität im separaten Reaktor wird angegeben
Chemisch - katalytische CO-Methanisierung ist seit vielen Jahrzehnten erprobt und
kommerziell verfügbar, Adaption auf CO2-Methanisierung läuft
Mit katalytischer Methanisierung lassen sich höhere energetische
Gesamtwirkungsgrade erzielen, da Hochtemperaturwärme besser nutzbar
Katalytische Methanisierung erscheint jedenfalls wirtschaftlicher bei Großanlagen,
Biologische Methanisierung (vor allem „in-situ“ Integration) eher bei kleineren
Anlagen
Prozessintegration ist essenziell für Effizienz und Kostenoptimierung
Betriebserfahrungen müssen mit beiden Prozessen gesammelt werden 12
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgÜberblick zu einigen laufenden
Power-to-Gas F&E Projekten in Österreich
Quelle: Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz
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Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgÜbersicht zum Prozesskonzept im RSA - ,OptFuel‘
Optimierung der Energieträger-Gewinnung aus Biomasse unter Einbindung von Überschussstrom
O2
erneuerbarer Strom
(Überschuss)
H2
Projektpartner
Elektrolyse
Wasser
CH4 / CO2 / H2
Reststoffbiomasse
z.B. Sulfitablau ge
40 % TS
90 % oTS Methanisierung
H2 / CO2
80 % H2-Umsatz
Konditionierung/
Verdünnung CH4 / CO2
organ.
Substanz
Gär rest (orga nische r Düng er)
CH4-Fermentation
37 °; pH 6
H2-Fermentation HRT 15 d
37 °; pH 5,5
HRT 18 h
CO2-
Strippgas
SynMethan CH4 ≤ 96 %
Methanaufbereitung
14
Quelle: eigene DarstellungCO2 als Rohstoff
Bereitstellung von Kohlendioxid:
wesentliche Bedeutung als Basis für die Erzeugung von Methan aus H2 und CO2
Abbildung: CO2-Quellen für den Einsatz in Power-to-Gas
CO2 aus CO2 aus der
CO2 as Nebenprodukt industrieller Prozesse
Verbrennungsprozessen Atmosphäre
Kohle Biogasanlage Ethensynthese Zement Umgebungsluft
12 – 15 vol.-% 40 vol.-% 12 vol.-% 20 vol.-% 0,039 vol.-%
Erdgas Fermentation Ammoniaksynthese Raffinerie
3 – 10 vol.-% bis zu 100 vol.-% up to 100 vol.-% 3 – 13% vol.-%
Öl Ethylenoxid- Eisen- und Stahl
Herstellung
3 – 8 vol.-% 15 vol.-%
up to 100 vol.-%
Biomasse biotechnologische industrielle
Prozesse chemische Industrie Produktionsprozesse
3 – 8 vol.-%
Tabelle: CO2-Abscheidung für Verbrennungsprozesse
Technische Daten Pre-Combustion Oxyfuel Post-Combustion
Effizienz der CO2 Abscheidung > 95 % > 90 % 85-90 %
Energieverlust1 (Kohlenstaubfeuerung) n/a > 25 % > 29 %
Energieverlust1 (Erdgaseuerung) > 21 % n/a > 16 %
Kommerziel (industrieller Kommerziel (industrieller
Entwicklungsstatus Pilotmaßstab
Maßstab) Maßstab) 15
1 Der Energieverlust charakterisiert die zusätzliche Energiezufuhr pro kWh netto Output
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgBilanzieller Mehrertrag durch 2-stufige
Prozessführung
CH4-Fermentation
Referenzsubstrat v = 84 L 157 L Methan
HRT = 15 d
Molasse 1 kg
1-stufige Fermentation
2-stufige Fermentation
chemisch-
katalytische
+ 20 %
Methanisierung
η = 0.8
188 L Methan
Referenzsubstrat
Molasse 1 kg
H2-Fermentation CH4-Fermentation
v = 4,2 L v = 84 L
HRT = 18 h HRT = 15 d
16
Quelle: eigene Bilanzierung basierend auf
DOI: 10.1016/j.biortech.2009.02.027; DOI: 10.1016/j.biortech.2009.12.006; Projektbericht Hyvolution und Buswell-GleichungPotentielle Substrate – Ausgewählte Ergebnisse
rel. H2-Ertrag
rel. CH4-Ertrag
Grüne Bioraffinerie
Quelle: eine Labordaten
UF….. Ultrafiltration NF….. Nanofiltration SE ….. steam explosion
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H2- und CH4- Potential verschiedener Substrate in 2-stufiger
Biogas-Batch-Fermenation im Vergleich zu Glukose (rote Linie)Setup der kontinuierlichen
H2- & CH4-Fermentation
CH4-
Fermentation
H2-
Fermentation
Aufgaben:
• Optimierung Raum-
/Zeitausbeute
• Reduktion des
Cosubstratinputs und
Medienergänzungen
2-stufiger CSTR Derzeit: Homoacetogenese!
pH 6,0, HRT 24 h
mesophil (37°C) 18
Mischkultur
Kongress biogas14 | 3. Dezember 2014 | WIFI SalzburgAdaption der Biologie
an das Substrat Sulfitablauge
H2 Produktivität [ml h-1 LFV-1]
Verdünnungsfaktor Sulfitablauge
Quelle: eine Labordaten
FV…..Fermentervolumen
MOs Wachstumshemmung begann bei 9 x Verdünnung
Anpassung über zeitweise Batch-Prozessfahrweise
20 g L-1 Eingangskonzentration Zucker über Sulfitablauge/Melasse, 19
Stripgas 0,5 L h-1 LFV-1 N2Zusammenfassung
Biogas bietet ideale Möglichkeiten für die Kopplung mit PtG-Konzepten
Methanisierung ist ein wichtiges Verfahren zur Bereitstellung von erneuerbaren
Gasen
Erneuerbarer Strom auf Abruf kurz- bis mittelfristig noch nicht wettbewerbsfähig
Für die Markteinführung bedarf es einer Weiterentwicklung und Optimierung,
insbesondere da diese Technologie auch den erläuterten volkswirtschaftlichen
Nutzen aufweist.
Langfristige Preisprognosen und Kostenrechnungen zeigen vor allem im Verkehr
eine Konkurrenzfähigkeit mit konventionellen Energieträgern
In der Vergangenheit wurden zahlreiche Verfahrenskonzepte entwickelt,
EIJKU ist in einigen Forschungsprojekten eingebunden
Nationale Pilotprojekte wünschenswert um Betriebserfahrungen zu sammeln,
Geschäftsmodelle zu entwickeln und den regulatorischen Rahmen anzupassen
20Vielen Dank…
Kontakt:
Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz
Altenberger Strasse 69
4040 Linz
Tel: +43 70 2468 5653
Fax: + 43 70 2468 5651
e-mail: lindorfer@energieinstitut-linz.at
RSA-Strukturaufbau
Dieses Projekt wird in Form eines Research Studios Austria in der Sonderausschreibung
im Rahmen der „Energieforschungsinitiative“ des BMWFJ gefördert
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