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.
© 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 - Arbeitspaket 1a: Konstruktion eines PEM-Elektrolyseurs
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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.
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
Bedingt durch ihre vorteilhaften Eigenschaften erscheint vor allem die PEM-Elektrolyse ein geeignetes Verfahren zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung durch Kopplung an erneuerbare Energien.
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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.
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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.
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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.).
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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.
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (11/2014)
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.
Der Lageenergiespeicher aus Sicht der Wasserwirtschaft
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (10/2014)
Die Energiewende erfordert die Entwicklung neuer, effizienter Speichertechnologien. Bisher stellen Pumpspeicherkraftwerke die weit überwiegende Speicherkapazität zur Verfügung. Der Lageenergiespeicher ist eine Weiterentwicklung davon, die mit geringerer Wassermenge und Platzbedarf sehr große Energiemengen kostengünstig speichern kann. Dabei wird eine große Felsmasse mit Wasserdruck mittels Strom angehoben. Bei Strombedarf wird die Felsmasse abgelassen und das Wasser durch Turbinen geleitet. Die notwendigen Drücke und Maschinensätze sind ähnlich zu denen der konventionellen Pumpspeicher.
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (10/2014)
Die Energiewende erfordert die Entwicklung neuer, effizienter Speichertechnologien. Bisher stellen Pumpspeicherkraftwerke die weit überwiegende Speicherkapazität zur Verfügung. Der Lageenergiespeicher ist eine Weiterentwicklung davon, die mit geringerer Wassermenge und Platzbedarf sehr große Energiemengen kostengünstig speichern kann. Dabei wird eine große Felsmasse mit Wasserdruck mittels Strom angehoben. Bei Strombedarf wird die Felsmasse abgelassen und das Wasser durch Turbinen geleitet. Die notwendigen Drücke und Maschinensätze sind ähnlich zu denen der konventionellen Pumpspeicher.
Zoneneinteilung beim Betrieb von Power-to-Gas-Anlagen
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (10/2014)
Die berufsgenossenschaftlichen Explosionsschutz-Regeln stellen eine Sammlung der relevanten technischen Regeln zum Explosionsschutz für Betreiber von Anlagen zur Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff dar. Sie enthalten auch eine umfangreiche Beispielsammlung zur Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen und eine ständig aktualisierte Liste funktionsgeprüfter Gaswarngeräte.
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (10/2014)
Die berufsgenossenschaftlichen Explosionsschutz-Regeln stellen eine Sammlung der relevanten technischen Regeln zum Explosionsschutz für Betreiber von Anlagen zur Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff dar. Sie enthalten auch eine umfangreiche Beispielsammlung zur Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen und eine ständig aktualisierte Liste funktionsgeprüfter Gaswarngeräte.
