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Power-to-Fuel

Neue Verfahren zur Erzeugung klimaneutraler Energieträger auf Basis von Biogas sowie erneuerbarem Überschussstrom

Im Angesicht ambitionierter nationaler sowie internationaler Bestreben den anthropogen unterstützten Klimawandel in den kommenden Jahrzehnten bestmöglich einzudämmen, haben erneuerbare und biogene Energiequellen (EE) in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung gewonnen.

Durch die stetige Förderung und Subventionierung regenerativer Energien haben Erneuerbare Energien insbesondere im Stromsektor inzwischen einen essentiellen, versorgungsbestimmenden Anteil an der Energieproduktion. Dies führt auf Grund der hierfür notwendigen großen Erzeugungskapazitäten fluktuierender Stromeinspeiser wie Wind- und Solarkraftanlagen unweigerlich dazu, dass auf allen Stromnetzebenen immer häufiger Ausgleichsmaßnahmen ergriffen werden müssen, um Leistungsdefizite oder -überschüsse auszugleichen und die Funktionalität und technische Lebensdauer der Anlagen zu gewährleiten. Um erneuerbare Anlagen nicht abregeln zu müssen und so Teile der potenziell durch EE-Anlagen erzeugten Energie ungenutzt zu lassen, sind in den vergangenen Jahren verschiedene Speichermöglichkeiten vermehrt in den Fokus der Forschung gelangt.Als Schlüsseltechnologie für die effiziente Speicherung von Überschussstrom gilt hierbei seit einiger Zeit die Wasserelektrolyse. Im Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung wird sie essentieller Baustein für die Realisierung weitestgehender Klimaneutralität Deutschlands genannt.

Die treibenden Kräfte sind hierbei einerseits die stetig ansteigenden Energiekosten, die zu Einsparungen und Maßnahmen zur Effizienzsteigerung anregen, und andererseits die Möglichkeiten zur Nutzung der energetischen Potenziale zur Deckung des eigenen Strom- und Wärmebedarfs. Neben Themen zur Energiebereitstellung und -nutzung stehen ebenso der Klimaschutz sowie die Vermeidung von anthropogenen Treibhausgasemissionen im Fokus.

Bei der Betrachtung zukünftiger Energieversorgungssysteme steht neben der konventionellen elektrischen Energieversorgung auch zunehmend die Nutzbarmachung bzw. Speicherung von (Überschuss)-Energie im Mittelpunkt.

Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich das FiW aktuell im Rahmen von mehreren Projekten mit Speicherung von EE, sowie der Reduktion der CO2-Emissionen.

Methanolsynthese aus Abgasen der Müllverbrennungsanlage am Standort Bonn

Auf Grundlage des bevorstehenden Abschaltens von Kohlekraftwerken im Rheinischen Revier werden im Anschluss zunehmend auch Müllverwertungsanlagen, als dann größte CO2-Emittenten, in den Fokus rücken. Gleichzeitig bieten sie jedoch eine herausragende CO2-Quelle für innovative Technologien zur Sektorkopplung.

Eine innovative Technologie zur Sektorenkopplung ist die Bindung von CO2 aus MVA-Abgasen und anschließender Reaktion mit H2 zu einem grünen Kraftstoff: Methanol. Mittels der Methanol-Synthese lassen sich weitreichende Synergien zur Nutzung und Speicherung von EE, Reduzierung von CO2-Emissionen sowie Power-to-Product abbilden.

Vor dem Hintergrund, dass eine flächendeckende Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen sowie Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb in absehbarer Zeit noch nicht zu realisieren scheint, könnte die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors und dessen Betrieb mit umweltfreundlichen sauberen Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien zunehmend wichtig werden.

Die MVA Bonn bietet hierbei ideale Rahmenbedingungen diese Potenziale zu heben.

Hierbei werden Optionen geprüft über CCU-Verfahren (Carbon Capture and Utilisation) CO2 aus den Abgasen der Verbrennungsanlage abzuscheiden und in innovativen Syntheseprozessen zu chemischen Produkten weiterzuverarbeiten. Insgesamt wird so in den kommenden Jahren ein Konzept entstehen, welches die wirtschaftliche und ökologisch nachhaltige Produktion eines CO2-basierten Wertstoffes auf industriellen Maßstab vorsieht. Hieraus wird in der Kooperation ein langfristiges und nachhaltiges Konzept für den Standort der MVA Bonn entwickelt.

Auftraggeber: Müllverwertungsanlage MVA Bonn GmbH

Entwicklung eines Verfahrens zur Erzeugung klimaneutraler Energieträger auf Basis von Biogas unter Einkopplung von erneuerbarem Überschussstrom (GreenBee)

In der Wasserwirtschaft zeichnen sich Kläranlagen sowohl als Energieverbraucher als auch -erzeuger aus.

Bei der Betrachtung zukünftiger Energieversorgungssysteme steht neben der konventionellen elektrischen Energieversorgung auch zunehmend die Nutzbarmachung bzw. Speicherung von (Überschuss)-Energie im Mittelpunkt. Unabhängig von vielen Entwicklungs- und Optimierungsanstrengungen verfügbarer Komponenten wird ein besonderer Bedarf in der Vernetzung der gesamten energetischen Infrastruktur, dem Zusammenspiel der Einzelkomponenten und der Bereitstellung regenerativer Energiequellen erkannt. In diesem Kontext bieten Kläranlagen günstige Bedingungen und besondere Synergieeffekte für die Vernetzung unterschiedlicher Technologien.

Im Rahmen des durch das Umweltministerium des Landes NRW geförderten Projekts „Einsatz der Wasserstofftechnologie in der Abwasserbeseitigung“ (WaStrak) hat das FiW deshalb im Jahr 2010 begonnen alternative Konzepte zur Energiespeicherung zu untersuchen.

So ist eine Versuchsanlage entstanden, in der das Klärgas über Dampfreformierung und anschließender katalytischer Reaktion zu Methanol, einem höherwertigen, flüssigen Energieträger, weiterverwertet wird. Im Rahmen dieses Projektes ist die Machbarkeit des Verwertungsansatzes in Pilotgröße bewiesen worden.

Auf Grundlage der im WASTRAK-Projekt erarbeiteten Ergebnisse arbeitet das FiW gemeinsam mit dem OWI an der Optimierung der Syntheseanlage und somit zur Herstellung eines vermarktungsreifen Anlagenkonzepts.

Die Forschung an der bestehenden Anlage bezieht sich auf mehrere Kernpunkte, die im Rahmen des beantragten Projektes bearbeitet werden sollen:

  • Entwicklung eines erweiterten Reformierungsprozesses für Biogas
  • Einbindung eines Elektrolyseurs
  • Erweiterung des Syntheseverfahrens um eine Destillationsstufe
  • Verbesserung der Synthesereaktoren
  • Optimierung des Prozesses und der Prozessparameter

Insgesamt zielen die einzelnen Optimierungen darauf ab, mit dem Demonstrator ein uneingeschränkt vermarktbares Produkt, hochreines Methanol, zu produzieren. Damit wird eine alternative, hochwertige Nutzung von Klär- und Biogas dargestellt, die eine wirtschaftliche Alternative zur Nutzung des Gases in BHKW ermöglicht. Zudem soll ein geschlossenes Anlagenkonzept erarbeitet werden, welches eine ökologische Skalierung der Anlagengröße zulässt und somit das Potenzial besitzt, zukünftig an Produzenten von Faulgas vermarktet zu werden.

Auftraggeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektträger: EURONORM GmbH

Projektpartner: OWI Science for Fuels gGmbH

Untersuchung der technischen Grundlagen zur Standardisierung von Methanol-Kraftstoffen in Europa (Methanolstandard)

Im Rahmen des Forschungsprojektes Methanolstandard sollen die technischen Grundlagen für die Normung von Methanol-Kraftstoffen in Europa untersucht werden. Wesentlicher Bestandteil des Forschungsvorhabens ist neben der Standardisierung die Optimierung der ottomotorischen Verbrennungskonzepte. Auch die Kraftstoffproduktion, die sicherheitsrelevanten Merkmale wie Sichtbarkeit und Toxizität der Flamme und die Methanol Produktion sollen innerhalb des Forschungsvorhabens untersucht werden. Es soll geprüft werden, ob der IMPCA-Standard für Methanol, der bereits in der Schifffahrt verwendet wird, direkt für die Straßentransportanwendungen verwendet werden kann oder, ob eine Additivierung erforderlich ist, um einen sicheren Kaltstart sowie Materialkompatibilität zu realisieren. Zunächst sollen Untersuchungen an einem Einzylindermotor durchgeführt und diese Ergebnisse dann anschließend an einem Prototypen-Motor umgesetzt. Eine weitere Option für die Verwendung von erneuerbarem Methanol im Verkehr zur Reduzierung der gesamten Kohlendioxidemissionen sind Methanol-Benzin-Gemische (M15), die in zukünftigen Serienmotoren als „Drop-In“ -Kraftstoffe sowie höhere Gemische in Flex-Fuel-Motoren untersucht werden. Dies bietet eine kurzfristige Möglichkeit zur Dekarbonisierung des Straßenverkehrs. Eine mögliche Sektorkopplung und die Schaffung von Synergien mit dem maritimen Transport soll erörtert werden.

Das FiW begleitet dieses große Verbundvorhaben insbesondere zu den Fragestellungen der Produktionswege von grünem und nachhaltigen Methanolsynthese sowie des Life-Cycle-Assesment. Hierbei wird in Versuchen die Herstellung von „grünem“ Methanol aus CO2 untersucht und mit numerischen Berechnungen optimiert. Weiterhin werden Potentiale für ein Scale-Up bewertet.

Durch einen ganzheitlichen technischen, ökonomischen und ökologischen Ansatz soll der normative Handlungsbedarf für eine umfassende Einführung und Anwendung eines standardisierten Methanol Kraftstoffs ermittelt werden.

Auftraggeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektträger: TÜV Rheinland Consulting GmbH

Projektpartner: FEV Europe GmbH; Bayerische Motorenwerke Aktiengesellschaft; TEC4FUELS GmbH; Ford-Werke GmbH; Liebherr-Components Deggendorf GmbH; ASG Analytik-Service GmbH; Oel-Waerme-Institut gGmbH; Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Kristoffer Ooms
+49 (0) 241 80 2 68 22 / E-Mail

Carl Fritsch, M.Sc.
+49 (0) 241 80 2 39 55 / E-Mail

Dipl.-Ing. Alejandra Lenis
+49 (0) 241 80 2 68 42 / E-Mail