MethFuel: Erneuerbares Methan effizient und flexibel erzeugen.

Der Verbund MethFuel nimmt die Erzeugung von Methan aus erneuerbaren Energiequellen (EE-Methan) unter die Lupe. Ob EE-Methan zukünftig flächendeckend in den Markt eingeführt wird, ist maßgeblich davon abhängig, wie effizient und kostengünstig es produziert werden kann. Da die Erzeugungskette von EE-Methan, auch Power-to-Gas-Prozess (PtG-Prozess) genannt, aktuell (noch) mit hohen Kosten verbunden ist, stellt die Optimierung des PtG-Prozesses das primäre Ziel im Verbund MethFuel dar. Dazu arbeiten die neun Verbundpartner als Komponentenentwickler an den PtG-Schlüsseltechnologien: Wasserelektrolyse, CO2-Bereitstellung und Methanisierung. Die geplanten Neu- und Weiterentwicklungen dieser drei Schlüsseltechnologien betreffen vor allem die apparative Umsetzung, die Energie- und Ökoeffizienz sowie einen Anlagenbetrieb, der noch besser auf den fluktuierenden Charakter erneuerbarer Energien abgestimmt ist.

Die in MethFuel gegenüber dem Stand der Technik erreichten Technologiefortschritte werden gegen Ende des Projekts bewertet. Dazu ist eine separate Betrachtung der einzelnen Schlüsseltechnologien nicht ausreichend. Erst die Bewertung einer gesamten PtG-Prozesskette berücksichtigt Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Technologien. Deshalb zählt auch die Konzeption und techno-ökonomische Bewertung verschiedener PtG-Prozessketten zu den Arbeiten im Verbund MethFuel.

Elektrolyse

Elektrolyse liefert mit Wasserstoff einen der beiden Hauptbestandteile des PtG-Prozesses. Daher untersuchen die Partner verschiedene Elektrolysetechnologien (PEM-, SOEC- und AEM-/Meerwasserelektrolyse) experimentell und theoretisch.

Die PEM-Elektrolyse ist aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine wichtige Technologie für die Produktion von Wasserstoff. Zu ihren Stärken zählen ihre kurzen, dynamischen Reaktionszeiten, kleine Peripheriekomponenten, die großen Arbeitsbereiche, die hohe Effizienz und die sehr hohe Gasreinheit (bis 99.999%). In MethFuel werden innovative Konzepte zur deutlichen Erhöhung der Flexibilität (um 25 % gegenüber dem Stand der Technik) erarbeitet. Konkret soll ein PEM-Elektrolyse-Pilotsystem mit 1 MW nomineller Leistung, überlastfähig bis 200 % (bis 2 MW) entwickelt und betrieben werden. Im Vergleich zu einem konventionellen 2 MW PEM-Elektrolyse-System könnten bei Teilnahme am Primärregelenergiemarkt mit dem flexiblen 1 MW PEM-Elektrolyse-Pilotsystem die nominellen Volllaststunden erhöht sowie Investitionskosten im Bereich Stack und Balance of Plant erheblich reduziert werden.

Schwerpunkt der Arbeiten bei AREVA H2Gen ist die Entwicklung und der Aufbau des überlastfähigen PEM-Elektrolyse-Stacks, flankiert durch begleitende Forschungsarbeiten des Fraunhofer ISE, sowie die Entwicklung des überlastfähigen Systems. iGas energy ist für die Entwicklung und den Aufbau des Gesamtsystems verantwortlich. Der Testbetrieb des flexiblen 1 MW PEM-Elektrolyse-Pilotsystems wird durch Infraserv Höchst im Chemiepark Höchst realisiert, mit Unterstützung durch AREVA H2Gen und iGas energy.

Die Hochtemperaturelektrolyse erfolgt bei deutlich höheren Temperaturen (750 bis 850 °C) als die PEM- und konventionelle alkalische Elektrolyse. Das Wasser muss somit dampfförmig eingespeist werden. Die Elektrolyse findet dann in sogenannten Festoxidelektrolysezellen (Solid Oxid Electrolysis Cell, SOEC) statt. Diese weisen eine verbesserte Kinetik sowie einen niedrigeren elektrischen Energiebedarf auf. Energie muss aber zusätzlich für die Wasserverdampfung vor der SOEC zugeführt werden. Die nötige Prozesswärme zur Dampferzeugung kann durch die Kopplung mit der exothermen Methanisierung innerhalb der EE-Methanerzeugungskette aufgebracht werden. Abschätzungen zufolge kann so der Wirkungsgrad von PtG-Prozessen auf über 80 % steigen. Bislang gibt es jedoch nur kleinere Versuchsanlagen bis ca. 100 kW mit niedrigeren Wirkungsgraden.

Bild 1: PEM-Elektrolyseanlage von AREVA H2Gen mit einer H2-Produktionskapazität von 10 Nm³/h (~50 kW elekt. Leistungsaufnahme) für ein laufendes PtG-Projekt (©AREVA H2Gen)

Bild 2: Festoxidzelle (SOC) zur Strom -bzw. zur Wasserstofferzeugung (©Europäisches Institut für Energieforschung)

Um den Betrieb großer SOEC-Anlagen zu optimieren, werden SOEC-Zellen verschiedener Hersteller vom Partner EIfER im Labor getestet und die experimentellen Ergebnisse für eine Zellmodellierung am ITCP des KIT genutzt. Durch die numerische Simulation werden dann die Betriebsbedingungen der Zellen optimiert. Auf Basis der Ergebnisse wird ein Stackmodell entwickelt und in das am EIfER entwickelte PtG-Modell zur EE-Methanerzeugung integriert, wodurch Aussagen über die optimalen Betriebsbedingungen getroffen werden können.

Die weltweiten für die Elektrolyse wichtigen Frischwasservorkommen sind mit nur 2,5 % sehr gering. Daher wäre die Nutzung von Meerwasser als Wasserressource auf lange Sicht von enormem Vorteil. So könnte regenerativer Wasserstoff direkt an Offshore-Windparks mit Meerwasserelektrolyseuren produziert werden. Der Salzgehalt des Meerwassers bzw. die gelösten Fremdionen und die damit einhergehenden Konkurrenzreaktionen gestalten dessen Elektrolyse extrem schwierig. Die Meerwasserelektrolyse ist bislang weitgehend unerforscht. Daher soll im Rahmen von MethFuel an der TU Berlin - ECEMS eine Machbarkeitsstudie durchgeführt werden. Dazu werden der Einfluss verschiedener Membranen, kommerzieller Katalysatoren und poröser Transportschichten sowie des pH-Wertes und der Salzkonzentration insbesondere hinsichtlich des Degradationsverhalten der Komponenten erforscht. Mit diesen Untersuchungen wird ermöglicht, abschließend eine langlebige und somit wirtschaftlich interessante Elektrolysezelle entwickeln zu können.

CO2-Bereitstellung

Im Rahmen von MethFuel wird die CO2-Bereitstellung aus BHKW-Abgas sowie aus Luft mittels einer Gaswäsche mit ionischen Flüssigkeiten gemeinsam vom KIT EBI ceb und der DVGW-Forschungsstelle untersucht. Ionische Flüssigkeiten weisen einen vernachlässigbaren Dampfdruck auf und können entsprechend problemlos mit großen Gasströmen in Kontakt gebracht werden. Während in konventionellen Verfahren das Waschmedium stark erhitzt werden muss, um die gelösten Gase wieder freizusetzen und weiter zu verarbeiten, reicht bei ionischen Flüssigkeiten simples Abpumpen der Gasphase über dem Waschmedium, damit das enthaltene CO2 zur weiteren Verwendung wieder ausgast. Das erfordert erheblich weniger Energie als Erhitzen, sodass im Vergleich zu konventionellen Konzepten eine Energieeinsparung von über 50 % realisiert werden kann.

Im Falle der CO2-Bereitstellung aus BHKW-Abgas kann der Prozess wie beschrieben durch den Einsatz von ionischen Flüssigkeiten als sogenannte Druckwechselabsorption betrieben werden. Im Falle der CO2-Bereitstellung aus Umgebungsluft ergibt sich eine weitere Herausforderung durch die sehr geringe CO2-Konzentration. Das CO2 löst sich zwar im Waschmedium, jedoch reicht eine Druckverringerung nicht, um es wieder ausgasen zu lassen. Hier ist zusätzlich eine moderate Erwärmung der Waschflüssigkeit nötig. Im Vergleich zum Stand der Technik ergibt sich auch hier ein reduzierter Energiebedarf, da nur die Waschflüssigkeit und nicht der gesamte Apparat erwärmt werden muss.

Wird für beide Anwendungsfälle ein absorptives Trennverfahren eingesetzt, kann CO2 mit der gleichen Anlage wechselweise aus beiden Quellen bereitgestellt werden, wodurch sich Synergien beim Einsatz des Verfahrens in PtG-Prozessketten realisieren lassen. Im Rahmen des Projektes wird auf Basis von grundlegenden experimentellen Untersuchungen eine Verfahrensmodellierung durchgeführt. Das Modell wird über Versuche in einem Mini-Plant validiert und ermöglicht das anschließende Upscaling auf relevante Anlagengrößen.

Methanisierung

Die Methanisierung ist eine stark exotherme Reaktion. Daher ist es die übergeordnete Herausforderung bei der Auslegung und beim Betrieb eines Methanisierungsreaktors, eine effiziente Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Zudem treten speziell bei PtG-Prozessen aufgrund des wechselhaften Ökostroms fluktuierende Lastgänge auf, worauf bei konventionellen Reaktoren für die Methanisierung (bislang) kein großes Augenmerk gelegt wurde. Um Lösungen für die speziellen Herausforderungen des dynamischen Betriebs katalytischer Reaktoren zu finden, werden am KIT EBI ceb seit einigen Jahren Konzepte für Dreiphasenreaktoren entwickelt sowie experimentell und theoretisch erforscht. Im Rahmen von MethFuel wird als hochdynamisch betreibbarer Methanisierungsreaktor ein Blasensäulenreaktor untersucht, in dem die festen Katalysatorpartikel in einer Wärmeträgerflüssigkeit suspendiert sind. Diese ermöglicht eine einfache Temperaturkontrolle des Reaktors, da aus dem dreiphasigen System eine deutlich verbesserte Wärmeabfuhr als bei herkömmlichen Reaktorkonzepten erfolgen kann. Der Reaktor selbst ist sehr einfach aufgebaut und damit kostengünstig in Fertigung, Betrieb und Wartung.

Im Rahmen von MethFuel wird die Dynamikfähigkeit der Dreiphasen-Methanisierung durch Experimente mit verschiedenen Lastwechselraten in einer Demonstrationsanlage getestet und daraus wertvolle Daten für die theoretische Beschreibung und das weitere Scale-Up ermittelt. Begleitet werden die Arbeiten durch experimentelle Untersuchungen zur Katalysatorstabilität und zu Auswirkungen der dynamischen Fahrweise auf die Produktgasqualität an einer Laborapparatur.

Bild 3: Der Blasensäulenreaktor ist das Herzstück der Demo-Anlage zur katalytischen Methanisierung des KIT EBI ceb (Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT)

Ganzheitliche Betrachtung

Um die kombinierten Vorteile der optimierten Einzeltechnologien zu bewerten, füttern die Partner die Betrachtung der PtG-Prozessketten in einem iterativen Verfahren mit wichtigen Kenngrößen der Schlüsselktechnologien. Alle wesentlichen Erkenntnisse, wie auch die Kraftstoffqualität in Abhängigkeit von den Investitions- und Betriebskosten, werden laufend mit den anderen MethQuest-Verbünden geteilt, um deren Arbeiten anwendungsnah zu unterstützen.

Die Projektpartner

AREVA H<sub>2</sub>Gen GmbHAREVA H<sub>2</sub>Gen GmbH
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
EIfER - Europäisches Institut für Energieforschung EDF-KIT EWIV
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEFraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
iGas energy GmbHiGas energy GmbH
Infraserv GmbH & Co. Höchst KGInfraserv GmbH & Co. Höchst KG
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), Engler-Bunte-Institut (EBI), Teilinstitut Chemische Energieträger – Brennstofftechnologie (CEB)Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), Engler-Bunte-Institut (EBI), Teilinstitut Chemische Energieträger – Brennstofftechnologie (CEB)
Institut für Technische Chemie und Polymerchemie am Karlsruher Institut für Technologie Institut für Technische Chemie und Polymerchemie am Karlsruher Institut für Technologie 
Die elektrochemische Katalyse-, Energie- und Materialwissenschaften Gruppe an der Technischen Universität BerlinDie elektrochemische Katalyse-, Energie- und Materialwissenschaften Gruppe an der Technischen Universität Berlin

Verbundkoordination:

AREVA H2Gen GmbH
Eupener Straße 165
50933 Köln