Phosphorrückgewinnung

Phosphor ist für alle Organismen ein essenzielles Element. Umso wichtiger ist ein nachhaltiges Management dieser Ressource.
 


S E E - S p e z i a l - Power-to-Gas – Das BMBF-Verbundprojekt SEE zeigt Lösungsansätze durch Betrachtung der Gesamtprozesskette auf
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
Die Erzeugung elektrischer Energie durch Wind und Sonne unterliegt starken zeitlichen Schwankungen. Da im Stromnetz zu jeder Zeit genau so viel Energie entnommen wie eingespeist werden muss, steigt die Notwendigkeit, mit zunehmender Nutzung erneuerbarer Energien zum Ausgleich große Mengen an elektrischer Energie flexibel ein- und ausspeichern zu können. Die verfügbare Kapazität der vorhandenen Speichervarianten für elektrische Energie ist zur mittel- bis langfristigen Speicherung unzureichend.

S E E - S p e z i a l - Energieforschung am Karlsruher Institut für Technologie – das KIT-Zentrum Energie
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Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erfüllt eine doppelte Mission: als Universität des Landes Baden-Württemberg und als nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft. Innerhalb dieser Missionen positioniert sich das KIT im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation. Mit seinen rund 9.400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, davon mehr als 6.000 in Wissenschaft und Lehre, seinen über 24.500 Studierenden und einem Jahresbudget von knapp 800 Millionen Euro stellt das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen in Europa dar. Die großen Forschungsthemen werden von den KIT-Zentren abgebildet. In diesen bearbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Fragen, die von fundamentaler Bedeutung für die Existenz und Weiterentwicklung der Gesellschaft sind oder sich aus dem Streben nach Erkenntnis ergeben. Das größte der sieben KIT-Zentren ist das KIT-Zentrum Energie.

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 1a: Konstruktion eines PEM-Elektrolyseurs
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Ziel war die Entwicklung eines PEM-Elektrolyseurs (PEM = Polymer Electrolyte Membrane) mit einem ausgangsseitigen Wasserstoffdruck von 30 bar, um den für die Methanisierung benötigten Druck direkt mit der Elektrolyse zu erzeugen und damit auf eine Verdichterstufe verzichten zu können. Als Basis diente ein von H-TEC entwickelter Prototyp eines PEM-Elektrolyseurs mit einem Betriebsdruck von 10 bar, bestehend aus einem PEM-Stack (Stack = Stapel) und einem System zum Versorgen und Betreiben des Stacks.

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 1b: Systemoptimierung und Betriebsführung der PEM-Elektrolyse
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Bedingt durch ihre vorteilhaften Eigenschaften erscheint vor allem die PEM-Elektrolyse ein geeignetes Verfahren zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung durch Kopplung an erneuerbare Energien.

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 2a: Drei-Phasen-Methanisierung
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Die Methanisierung ist eine stark exotherme Reaktion, die meist mit Nickel als Aktivkomponente katalysiert wird. Typische Reaktorkonzepte sind Festbett- und Wirbelschichtreaktoren, mit verschiedensten Vor- und Nachteilen

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 2b: Zwei-Phasen-Methanisierung
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Die Studie beinhaltet die Untersuchung verschiedener Anlagengrößen und Gasgemische zur Methanisierung von CO2 in einer Anlage mit Festbettreaktoren. Im Rahmen einer vergleichenden Analyse werden die entwickelten Konzepte nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten gegenübergestellt. Darüber hinaus sind eine experimentelle Charakterisierung verschiedener Katalysatoren und deren Einflüsse auf den Betrieb in das Projekt integriert. Bei den experimentellen Untersuchungen werden herkömmliche Festbettkatalysatoren zur CO-Methanisierung bei verschiedenen Betriebsparametern wie der Katalysatorgasbelastung GHSV, der Reaktoreingangstemperatur und der Reaktorausgangstemperatur untersucht.

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 3: Auswahl und Synthese von thermostabilen ionischen Flüssigkeiten
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Ionische Flüssigkeiten (IL) sind salzartige Verbindungen, die ausschließlich aus Ionen bestehen und einen ungewöhnlich niedrigen Schmelzpunkt aufweisen. Sie sind schwer entzündbar, verfügen über einen vernachlässigbaren Dampfdruck und häufig über eine hohe thermische Stabilität.

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 4: Brennwertanpassung
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Die gestellten Aufgaben wurden mit einer Kombination von experimentellen und rechnerischen Methoden bearbeitet: Es erfolgten stationäre und instationäre Labor-Experimente in einer Festbettapparatur wie auch die mathematische Modellierung der Laboranlage zur Auswertung und Übertragung auf einen technischen Festbettreaktor, nachdem eine Validierung mit den eigenen experimentellen Ergebnissen vorgenommen worden war (zu Reaktionskinetik, Katalysatorverhalten bei instationärer Betriebsweise etc.).

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 5: Betrachtungen des Gesamtsystems im Hinblick auf Dynamik und Prozessintegration
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Elektrische Energie kann im Erdgasnetz in Form von Substitute Natural Gas (SNG) gespeichert werden. Dazu ist es gegebenenfalls erforderlich, Wasserstoff in Methan umzuwandeln und zur Brennwertanpassung synthetische Gaskomponenten mit höherem Brennwert beizumischen (z. B. gasförmige Kohlenwasserstoffe Ethan bis Butan, erzeugt aus H2 und CO2 – siehe Arbeitspaket 4). Ein solchen besteht aus einem PEM-Elektrolyseur, einem Kompressor und einem Wasserstoff-Speicher. Der Speicher muss vorgesehen werden, um die anschließende Methanisierung und Brennwertanpassung1 nicht allzu starken Lastschwankungen auszusetzen. Am Ende werden die Quellen für das Kohlenstoffdioxid, die Nutzung des Sauerstoffs aus der Elektrolyse sowie die Nutzung der Abwärme betrachtet.

S E E - S p e z i a l - Arbeitspaket 6: Gasnetzanalysen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
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Im Zentrum von Arbeitspaket 6 stand neben detaillierten Gasnetzanalysen auch die Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Power-to- Gas(PtG)-Anlagen. Die Schwerpunkte der Gasnetzanalyse lagen vor allem in der Spezifikation der technischen Anforderungen an die Gaseinspeisung, der Bestimmung des Potenzials zur Gasbezugsvermeidung und der Verfügbarkeit von vorhandenen Gasspeicherkapazitäten sowie der Identifikation möglicher Standortkategorien für PtG-Anlagen in Baden-Württemberg. Bestandteil der Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit waren neben der Abschätzung der Gasgestehungskosten auch der Vergleich unterschiedlicher Einsatzkonzepte und die Einordnung der Technologie in das zukünftige Energiesystem.

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