Wir schaffen Wissen heute für morgen - strasseschweiz.ch · Wir schaffen Wissen – heute für morgen Paul Scherrer Institut Treibstoff-Erzeugung mittels Power-to-Gas-Verfahren T.J

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


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

Page 4

Integration Wind/Solar ins Netz

Investitionen in andere Modelle/Märkte (Speicherung, Mobilität, etc.) durch

Einsparungen bei Netzausbau und Systemdienstleistungen mitfinanzieren


Power-to-Gas: Überschuss-Strom in die Mobilität


Power-to-Gas

Power-to-Gas: Überschuss-Strom in die Mobilität


Elektrolyse als erster Schritt

Wasserstofftankstellen CH

- Future Energy Demonstrator

EMPA (180 kW)

- Postauto Brugg (310 kW)

- Belenos (170 kW)

- Michelin (25 kW)


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%


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


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


Methanisierung mit Rein-CO2

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O

(DHR0 = -165 kJ/mol)


Methanisierung mit CO2-haltigen Gas aus Biomasse

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O

(DHR0 = -165 kJ/mol)


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


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)


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

Page 15


Simulation gekühlter Festbettreaktor


7

8

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13

14

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


Wärmefreisetzung


Umsatz)

Temperatur



~ r DHr

- mehrere Stufen mit Zwischen-Kühlung und/oder Rezirkulation!

PSI, Page 18

Quelle Mangold, Audi

Gekühlte Festbettreaktoren: Stand der Technik

Quelle: etogas, Audi


Anlagen in Werlte und Rapperswil: Es funktioniert!

Quelle: etogas, Audi


Wärmefreisetzung


Umsatz)

Temperatur



Kühlung ~ DT AHX U

TKühlung

~ r DHr

- Wärmefreisetzung verteilen → grössere Wärmetauscherfläche

- Katalytische Wirbelschicht (>300oC) oder biologische Methanisierung (<65oC)

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1 MWSNG PDU: dynamische Reaktion auf H2-Rezirkulation

0

10

20

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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


Energy System Integration Plattform am PSI

- 100 kW PEM-Elektrolyse und Gas-Tanks H2, CO2, O2

- Pilotanlage Wirbelschicht-Methanisierung (200 kW) für PtG


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


Gleichgewichtslage der CO2-Methanisierung (HSC©)

250 300 350 400 450 500 550 600 6500

5

10

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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


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

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