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Wer Energie spart, spart auch CO2 und Kosten. Das liegt auf der Hand. Kompliziert wird es aber bei der Umsetzung, denn hier spielen viele Faktoren eine Rolle. Für industrielle Wasserkreisläufe gibt es jetzt eine Plattform, die Unternehmen auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz unterstützt. An ihrer Entwicklung war auch die DECHEMA im EU-Projekt WaterWatt beteiligt. Im Interview erklärt Dr. Jochen Michels, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts, wie die Plattform eingesetzt werden kann und welche Einsparungen möglich sind.

Was ist die E3-Plattform?

E3 steht für Energie, Effizienz, Evaluation. Auf dieser internetbasierten Plattform kann man sich über Energieeffizienz in industriellen Wasserkreisläufen informieren und seine eigenen Kreisläufe evaluieren. Man kann also einmal durchprüfen, wie energieeffizient sie im Vergleich zu Wasserkreisläufen, die wir als Beispiele hinterlegt haben, schon sind. Man kann Verbesserungsvorschläge nachlesen oder im Simulator durchtesten.

Startseite der E3-Plattform

An wen richtet sich die E3-Plattform?

Wir gingen erst davon aus, dass sie sich direkt an die Unternehmen richtet, an große Unternehmen, die industrielle Wasserkreisläufe einer bestimmten Dimension betreiben. Das sind in der Regel Großindustrien, die auch eigene Energieteams haben, die sich um die Energieeffizienz in den Anlagen kümmern. Das ist aber nur eine relativ kleine Gruppe, die aber auch durchaus interessiert ist. Allerdings muss man sagen, dass die alle schon Lösungen haben, weil sie vom Gesetz her verpflichtet sind, sich alle drei Jahre in Bezug auf Energieeffizienz evaluieren zu lassen. Das ist eine gesetzliche Vorgabe der EU.

Deswegen muss man sagen, dass wir uns mit diesem WaterWatt-Projekt eher an kleine und mittelständische Unternehmen wenden, die zwar nicht gesetzlich verpflichtet sind, Energieeffizienzmaßnahmen zu ergreifen, aber wo die EU es sehr unterstützt, wenn sie es tun. Es lohnt sich für diese Unternehmen auch erst, wenn sie eine bestimmte Mitarbeitergröße haben, weil Energieeffizienzevaluation immer auch bedeutet, dass mindestens ein Mitarbeiter, wenn nicht gar ein Team, für diese Aufgabe zuständig sein muss.

Interessant ist die Plattform auch für Berater. Die waren, wenn wir das Projekt vorgestellt haben, immer sehr interessiert, weil sie die Plattform nutzen können, um ihren Kunden Energieeffizienzmaßnahmen zu erklären. Ein Consultant kann sich mit diesem doch recht komplizierten Simulator auseinandersetzen, kann die Kreisläufe dort abbilden und seinen Kunden gleich zeigen, wie viel Energie im Jahr gespart werden kann, wenn er Pumpe X und Filter Y durch etwas anderes ersetzt. Solche Tools gibt es eigentlich nicht auf dem freien Markt oder zumindest nicht kostenlos und sie sind auch relativ kompliziert. D.h. es lohnt sich eigentlich weniger für Unternehmen, sich einmalig dort einzuarbeiten, aber es lohnt sich für einen Berater, der viele Kunden hat, bei denen er das Tool regelmäßig einsetzen kann.

Wie kann die Plattform eingesetzt werden? Welche Vorteile hat sie?

Die Situation vor drei Jahren, als wir mit dem Projekt angefangen haben, war, dass es eigentlich gar kein Bewusstsein für diese Nebenkreisläufe in der Industrie gab. Für ein Unternehmen ist wichtig, dass der Prozess läuft. Und der Prozess an sich, was auch immer produziert wird, muss energieeffizient sein. Das ist schon richtig. Aber in der Regel hängt bei vielen Unternehmen der Prozess auch daran, dass der industrielle Wasserkreislauf funktioniert. Nehmen wir als Beispiel ein Walzwerk, das Walzstahl herstellt. Die Maschinen, die den Stahl walzen, werden permanent mit Wasser gekühlt, damit sie durch den geschmolzenen Stahl nicht selber angegriffen werden. Wenn da die Kühlung ausfällt, steht der ganze Prozess still. Und deswegen ist es ihnen eher egal, wie viel Wasser sie dort verbrauchen, Hauptsache die Kühlung funktioniert. Ein Stahlwerk braucht natürlich viel mehr Energie, um den Stahl aufzuschmelzen. Da muss also auch ein Umdenken stattfinden, weil es auch hier in der Summe um sehr viel Energie geht und damit auch sehr viel CO2, das bei der Energieproduktion anfällt. Man geht davon aus, dass es um die 10.000 Gigawattstunden für die gesamte EU sind, die eingespart werden können.

Abhängig von den kontextabhängigen Faktoren werden natürlich nicht alle Unternehmen die Maßnahmen umsetzen. Eine Checkliste mit den kontextabhängigen Faktoren, die Unternehmen bei der Berechnung berücksichtigen sollten, findet sich im Informationsteil der Plattform. Dort gibt es auch E-Learning-Module und weitere Infos. Jeder muss für sich selbst bestimmen, welche Faktoren auf die eigene Situation zutreffen. Es reicht z.B. nicht zu sagen, dass man eine neue Pumpe kauft. Man muss schauen, ob man nicht Fördergelder dafür bekommen kann. Muss ich meine Mitarbeiter für diese neue Pumpe schulen, habe ich Mehrkosten. So geht es rauf und runter und das muss man alles berücksichtigen, wenn man so eine Investitionsentscheidung trifft. Für die Entscheidung reicht es nicht zu sagen, dass eine neue Pumpe so und so viel Wasser und Energie spart. Auch die Frage nach der maximal tragbaren Amortisationszeit, die für jedes Unternehmen unterschiedlich ist, spielt eine Rolle. So etwas kann der Unternehmer nur selber entscheiden. Dafür geben wir dem Unternehmen oder Berater die Tools an die Hand. Wir bieten eine riesige Datenbank auf der Website die von vielen Anbietern Pumpen, Filter und Kühltürme sowie andere Teile enthält, die in einem industriellen Wasserkreislauf verwendet werden. Deren Kenndaten, die für die Energieeffizienz sprechen, haben wir auf einen gemeinsamen Nenner gebracht, so dass wir in einer großen Tabelle darstellen können, wie energieeffizient bestimmte Komponenten sind, so dass man sie auch untereinander vergleichen kann.

Neben den Infos bieten wir auf der Plattform im Moment zwei Möglichkeiten zur Evaluierung an: Das eine ist die Selbstevaluierung. Man kann also die ganzen Tools, einen kurzen Fragebogen und den Simulator nutzen. Oder man füllt einen umfangreicheren Fragebogen aus, der an unsere Partner im Projekt geschickt wird, und kann dort eine kostenpflichtige Beratungsleistung anfordern. Das Projekt ist jetzt zu Ende, aber die Finanzierung für die Plattform ist in der Form noch für ein Jahr gesichert. Die Idee ist, dass zwei unserer Partner daraus ein Unternehmen gründen und mit dem Tool einerseits an Unternehmen herangehen, andererseits Berater schulen. Dieses Spin-off soll die Plattform dann weiter kostenlos anbieten. Darüber hinaus wird die geplante Firma auch kostenpflichtige Beratungen anbieten.

Konzept des Projekts WaterWatt

Wie sollte ein Unternehmen vorgehen, wenn es sein Einsparpotenzial auf der Website berechnen möchte?

Sinnvoll ist, sich erst mal mit der Website vertraut zu machen und einen Überblick über die Tools zu bekommen, z.B. mit unserer Broschüre. Wenn es dann an die Simulation geht, kann man natürlich alle Komponenten im Simulator darstellen. Dahinter verbergen sich noch jede Menge Eingabefelder mit notwendigen Daten, damit die Simulation am Ende läuft. Das ist ein iterativer Prozess. Man kann auch jeden Zwischenstand speichern, wenn z.B. noch Daten fehlen, und dann an der Stelle weitermachen. Das ist auch nützlich, wenn man einen Energieaudit durchführt und die Zwischenschritte mit dem Auditor bespricht.

Jetzt ist eine gute Zeit, sich um die Energieeffizienz zu kümmern, weil es viele Fördermittel gibt. Die EU hat eine eigene Energieeffizienz-Richtlinie herausgegeben, die aktuell zwar nur die Großunternehmen verpflichtet, Energieaudits zu machen und regelmäßig zu dokumentieren, wie sie energieeffizienter werden. Für kleine und mittelständische Unternehmen gilt das nicht. Aber es gibt sehr viele Programme, um sie auch zum Audit zu bewegen und sie dabei zu unterstützen, energieeffizienter zu werden. Je energieeffizienter ein Unternehmen, desto wirtschaftlicher. Es lohnt sich also auch für kleinere Unternehmen mal zu schauen, wo man etwas einsparen kann.


Dashboard des Simulators

Welche Einsparungen sind möglich?

Für die Marktanalyse haben wir sehr viele Berichte von ähnlich gelagerten Fällen gelesen. Da wurden schon Case Studies gemacht, die versucht haben, das Einsparpotenzial zu erfassen. Und es lag immer zwischen fünf und zehn Prozent des Energieverbrauchs des Kreislaufes eines Unternehmens.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Dr. Michels.


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Interview with Michele Aresta, Initiator of ICCDU and Member of the International Committee

This year’s ICCDU is the 17th edition of the event. What were your expectations when you started this series?
ICCDU was started after two Summer Schools funded by NATO on “CO2 as Carbon Source, 1986” and “Reaction Mechanisms in Enzymatic and Model carboxylation and reduction reactions based on CO2, 1989”.  The ICCDU Series was started for being the international forum where the scientific community working on CO2 conversion could meet. And this has been ICCDU since its start.

How would you describe the first ICCDU – was this more an academic discussion, or did you already envision concrete applications?
Surprisingly, in the 1980s there were already practical applications in the field of polymers from CO2 (Al-based catalysts) which went on stream. The scientific discussions already covered other themes such as CO2 reduction, photocatalysis, synthesis of fine chemicals, polymers such as polyurethanes and polycarbonates and so on. What people do today was well known in the 1980s. The interest in CO2 chemistry was at that time boosted by the“oil crisis” (1973, 2000s).  Climate change was not yet a serious issue. The low cost of oil has decreased the interest in CO2 conversion in the 2000-2010s. Now the push comes from climate change, a completely different motivation.
The scheme below was developed in 1987: it presents the vision I had about CCU 30 years ago:


 An Integrated approach to CO2 Utilization, M. Aresta, NATO ASI Series 1989.

The routes to go were very clear to me at that time! We are running now along those paths.

How has CCU (not the conference, but the technology) evolved since the first ICCDU? What expectations were met, what not? And did unexpected develpoments occur?
As I wrote in a paper published in JCOU in 2013 “The changing paradigm in CO2 conversion”, the availability of cheap PV-H2 makes possible today the exploitation of CO2 reduction to energy products, that did not make sense in a fossil-C based energy frame as it was in the 1980s. And this is a big step towards “circular economy of C”.

What is special about ICCDU compared to other events on the topic of CCS and CCU?
ICCDU is a scientific forum and gathers scientists from usually 35+ countries. In 2015 we had over 40 countries present. It is a global conference that has since a few years opened up to policy makers and industrialists: this is a must these days.

From your personal point of view, what are you looking forward to most at this year’s ICCDU?
In future years ICCDU will be more and more inclusive and will sustain the development of new science and technology in the direction of implementing a circular C-economy by integrating CO2 conversion, biotechnologies, and biomass utilization. Integration of biotechnologies, catalysis, photocatalysis is essential for CCU. Synthetic photochemistry is a key step. Integration with nature is essential. Learning from nature is our future.

What will, from your personal point of view, be the „next big thing“ in CCU?
Direct co-processing of water and CO2 for developing an “Economy based on CO2 and water”! This is the title of my most recent book published with Springer and this is my vision since ever.
CCU is cycling Carbon. CO2 is renewable carbon: one can cycle it again and again as Nature does. This is the basis of bioeceonomy: CCU is integrated with the Bioeconomy concept. We should not make the mistake of keeping biomass utilization and CCU apart! They must be integrated.

Join ICCDU 2019 in Aachen and discuss the opportunities and applications of carbon capture and utilization with experts from research and industry from all over the world!

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Dass Forschungsprojekte erfolgreich sind, ist glücklicherweise keine Seltenheit. Dass sie  allerdings so erfolgreich sind, dass zwei Großunternehmen nach einem Projektjahr den Bau einer Kleinanlage ins Auge fassen, ist dann doch eher selten. Grund genug, einmal nachzufragen – bei Dr. Günter Schmid, Principal Key Expert Research Scientist bei Siemens:

GSchmidHerr Schmid, herzlichen Glückwunsch an Sie und Ihren Projektpartner Dr. Thomas Haas von Evonik – Sie sind quasi von Ihrem Erfolg überrollt worden.

Ja, das kann man sagen. Unser Projekt ist im ersten Jahr so erfolgreich gelaufen, dass wir uns entschieden haben, den nächsten Schritt zu gehen und in Richtung einer vollständig automatisierten Kleinanlage zu skalieren. Derzeit planen wir, im Dezember 2019 unsere Einzelprozesse zu verkoppeln.

Worum geht es im Projekt von Siemens und Evonik genau?

Unser Projekt heißt Rheticus und ist ein Satellitenprojekt der Kopernikus-Initiative. Wir wollen aus erneuerbaren Rohstoffen Spezialchemikalien herstellen. Die „Rohstoffe“ sind Elektronen aus erneuerbarer Energie, CO2 und Wasser. Die Energie bringen wir über eine Elektrolyse in das System: Wir elektrolysieren CO2 zu Kohlenmonoxid, Wasser zu Wasserstoff, und das verfüttern wir dann an die Bakterien.

Warum setzen Sie ausgerechnet auf ein biotechnologisches Verfahren?

Wir arbeiten mit anaeroben Bakterien, wie sie beispielsweise an „Black Smokern“ in der Tiefsee vorkommen. Wir benutzen zwei Bakterienstämme, bei denen einer der Stämme  ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu Acetat und Ethanol umsetzt. Ein zweiter Stamm produziert aus diesen Intermediaten anschließend Butanol und Hexanol.

Die Biotechnologie bietet zwei Vorteile: Sie arbeitet sehr selektiv und effizient in der CO2 Nutzung, und sie lässt sich dezentral einsetzen, auch unabhängig von einem integrierten Chemiestandort. Wir können solche Anlagen dort aufbauen, wo auch die erneuerbaren Energien anfallen.

 

 

Wie sind Sie bei der Auswahl der Zielprodukte vorgegangen?

An dieser Frage haben wir ziemlich lang gearbeitet. Bei fossil basierten Produkten bezahlt man nur für Prozess, Transport und Förderung, aber nicht für den Energieinhalt. Bei Produkten auf Basis erneuerbarer Energie ist der Energieinhalt einer der größten Kostentreiber. Wir brauchen also Produkte, bei denen der Anteil der Energie an den Kosten möglichst gering ist, und das ist bei der Spezialchemie der Fall. Außerdem können wir mit kleineren Anlagen starten, bevor wir dann in den Bereich der Bulkchemikalien oder der Kraftstoffe eintreten.

 

Wie sauber muss das CO2 sein, das Sie einsetzen?

Die Ansprüche an das CO2 sind vergleichsweise gering. So stören viele Schwefelverbindungen oder Sauerstoff den Prozess nicht, nur Metalle, die als Katalysatorgifte wirken, müssen vorab aus dem Rauchgas entfernt werden. Wir gehen aber trotzdem davon aus, dass wir das CO2 vorher aufreinigen, denn das können wir leicht aus Luft abtrennen, während Kohlenmonoxid sehr schwer von Stickstoff und Sauerstoff zu befreien ist.

 Wo liegt die größte technische Hürde?

Im Moment sind wir in der Fermentation im 2-Liter-Maßstab und wir wollen in den Kubikmeter-Maßstab kommen. Wir müssen also sowohl die Elektrolyse als auch die Bioreaktoren scalieren. Bisher hat noch niemand einen Gas-/Gas-Elektrolyseur gebaut, schon gar nicht in diesen Größenordnungen.

Inwieweit ist die Technologie auch dazu geeignet, Schwankungen in der Stromerzeugung abzupuffern?

Die Technologie ist sehr flexibel. Wir haben Betriebsmodi entwickelt, bei denen man die Leistung rauf- und runterfahren kann. Die untere Grenze bildet ein Standby-Modus; das ist auch für die Fermentation anwendbar.

Was ist Ihr nächstes Ziel?

Bis jetzt entwickeln wir die Einzelkomponenten aus dem Labormaßstab von 10 cm² auf 300 cm² – das ist ein Riesensprung. Für die weitere Skalierung bauen wir dann mehrere Zellen – ein Stack aus etwa zehn Zellen wäre ein Zwischenschritt, mit dem man erst einmal alles demonstrieren kann, was man so braucht. Wir haben im Rahmen von Kopernikus einen kontinuierlichen Betriebsmodus entwickelt, und in 2019 wird die erste echte Kopplung mit allen Anlagen stattfinden. Ziel ist eine automatisierte Kleinanlage, die eine kleine zweistellige Tonnage pro Jahr produzieren kann. Das heißt, wir sprechen von Elektrolyseuren im Kilowattbereich und Fermentern von im Bereich von 1 m³ Größe.

Wer mehr zu den vielen Einsatzmöglichkeiten der Elektrolyse und den aktuellesten technischen Entwicklungen erfahren und sich mit anderen Experten austauschen möchte, hat dazu Gelegenheit beim PRAXISforum Electrolysis in Industry am 22. und 23. November 2018 in Frankfurt – jetzt Programm ansehen und anmelden!

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Durch die Energiewende und den steigenden Anteil an erneuerbaren Energien mit volatiler Verfügbarkeit gewinnt die Kopplung von Energie- zu Chemiesektor neuen Schwung – und die Elektrolyse an Bedeutung. Denn die Elektrolyse ist der Schlüssel bei vielen hochaktuellen Prozessen und die entscheidende Schnittstelle zwischen Strom- und Chemiesektor.

Unter dem Stichwort „Sektorkopplung“ geht es dabei darum, Strom für die Herstellung von Kraftstoffen oder Chemikalien zu nutzen. In fast allen Verfahren spielt die Elektrolyse eine Schlüsselrolle. Dabei bildet die Wasserelektrolyse einen Schwerpunkt. Der durch die Aufspaltung von Wasser gewonnene Wasserstoff kann entweder als Energieträger beispielsweise für Brennstoffzellen eingesetzt oder in die Produktion von Chemikalien eingespeist werden. Dementsprechend vielfältig ist die Zahl der Projekte: Fast täglich wird über neue Bauvorhaben berichtet, von der lokalen Wasserstoff-KWK-Anlage bis zu Megaprojekten wie die geplanten 10- und 20-MW-Projekte, die AkzoNobel bzw. Shell Anfang 2018 angekündigt haben. Gleichzeitig schreitet die Entwicklung der Elektrolysezellen voran: Neue Elektrodenmaterialien oder Entwicklungen wie die PEM-Elektrolysezellen sorgen dafür, dass die Verfahren immer effizienter und je nach weiterer Nutzung des Wasserstoffs auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig werden. In einem Bericht von April 2018 an das BMWi weisen Wuppertal Institut und Fraunhofer ISI jedoch darauf hin, dass die verfügbaren Elektrolyseure keine Serienprodukte sind und ein notwendiger Scale-Up schnell erfolgen muss. Daraus ergäben sich auch Chancen für den Exportmarkt.

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Und längst richtet sich das Augenmerk nicht mehr nur auf die Wasserstoffproduktion. Auch die Co-Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid zu Synthesegas wird derzeit genauer untersucht. Im Forschungsprojekt Rhetikus streben Siemens und Evonik ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlendioxid zu Butanol und Hexanol mit Hilfe von regenerativem Strom und Mikroorganismen an. Siemens liefert die Elektrolysetechnik und entwickelt dabei den ersten Gas-Gas-Elektrolyseur im industriellen Maßstab.

Auch, wenn dabei die Erzeugung werthaltiger Chemikalien im Mittelpunkt steht, bringt das Verfahren noch einen zweiten Aspekt mit, der es für die Kopplung an erneuerbare Energieträger besonders interessant macht: Es lässt sich innerhalb eines gewissen Rahmens hoch- und runterregeln und könnte damit je nach Stromangebot mehr oder weniger Energie pro Zeiteinheit nutzen.

Das gilt nur in sehr geringem Umfang für den Klassiker unter den Elektrolyseverfahren, die Chlor-Alkali-Elektrolyse. Denn das gebildete Chlor ist der Ausgangspunkt für viele weitere Chemikalien, und die Produktionsmengen können nicht ohne weiteres heruntergefahren werden. Doch selbst in diesem vermeintlich lang ausgereiften Prozess verbergen sich noch Innovationspotenziale: So konnte durch den Einsatz von Sauerstoffverzehrkathoden der Energieverbrauch bei Covestro für die Chlorherstellung um bis zu 30 % gesenkt werden.

Welche Anwendungen in der Elektrolyse aktuell auf der Tagesordnung stehen und wie sich ihre Potenziale noch besser nutzen lassen, diskutieren Anwender und Anbieter beim PRAXISforum Electrolysis in Industry am 22. und 23. November 2018 im DECHEMA-Haus, Frankfurt. Die Anmeldung für Aussteller und Teilnehmer ist geöffnet; mehr unter http://www.dechema.de/Electrolysis

 

 

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Neue Studie stellt die Flexibilitätsoptionen in der Grundstoffindustrie vor

Slider FlexibilitätsoptionenDie Prozesse der Grundstoffindustrie sind verantwortlich für einen Großteil des industriellen Energie- und Strombedarfs in Deutschland. Welche technischen Möglichkeiten bieten sich in diesen Prozessen, um auf Flexibilitätsanforderungen des Stromsystems zu reagieren?

Das vom BMBF geförderte Kopernikus-Projekt SynErgie untersucht die Flexibilität von Industrieprozessen. Aus dem Projekt heraus wurde nun eine umfassende Studie zu den Flexibilitätsoptionen in den Prozessen der Grundstoffindustrie veröffentlicht.

Übergreifende Ergebnisse:

  • Die untersuchten Prozesse können prinzipiell für kurze Zeiträume (15 min) positive Flexibilität und eingeschränkt negative Flexibilität anbieten.
  • Für mittlere und lange Zeiträume (Stunden bis Tage) ist positive Flexibilität nur in wenigen Prozessen möglich, da dies mit einem Produktionsausfall einhergeht.
  • Priorität vor einem Anbieten von Flexibilität hat die Belieferung der Kunden mit den Produkten.
  • Flexibilität und Effizienz verhalten sich gegenläufig, d.h. eine erhöhte Flexibilität senkt die Effizienz des Prozesses.
  • Veränderungen der Betriebsweise führen in der Regel zu Veränderungen der Produktqualität.
  • Die aktuellen Regeln des Stromsystems begünstigen einen kontinuierlich (nicht-flexiblen) Betrieb der Anlagen.

In enger Zusammenarbeit haben die Forschungseinrichtungen der Branchen und die akademischen Partner eine Methodik entwickelt, um konsistent Potenziale, Perspektiven und Hemmnisse der untersuchten industriellen Prozesse bei typischen Anforderungsprofilen zu analysieren.

Die untersuchten Prozesse wurden nach ihrem elektrischen Energiebedarf und der Bedeutung in ihrer jeweiligen Branche ausgewählt:

  • Stahl: Elektrostahlherstellung (Elektrolichtbogenofen)
  • Glas: Behälterglasherstellung (Elektrische Zusatzheizung)
  • Zement: Roh- und Zementmahlung (Roh- und Zementmühlen)
  • Chemie: Chlor-Herstellung (Chlor-Alkali Elektrolyse)
  • Feuerfest: Herstellung von Schmelzkorund (Rohstoffschmelzanlage)

Für diese Prozesse werden die technischen Potenziale und die zukünftigen Perspektiven ausgewiesen und auf Deutschland hochgerechnet. Des Weiteren werden die Hemmnisse, die einer Ausnutzung der Potenziale im Wege stehen für die einzelnen Prozesse dargestellt und im Kontext der Rahmen¬bedingungen der Grundstoffindustrie eingeordnet. Durch die enge Einbindung der branchen¬spezi¬fischen Expertennetzwerke wurden die Ergebnisse innerhalb der Branchen diskutiert und validiert.

Die Studie kann auf den Internetseiten der beteiligten Partner und des SynErgie-Projektes kostenfrei heruntergeladen werden: dechema.de/Flexibilitaetsoptionen

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Print„New records in renewable electricity generation“ – „Wind and solar yesterday covered lion’s share of energy demand” – media and the internet are not short of success messages on renewable energy generation. Peaks in energy supply are so high that up to 5 billion kWh of renewable electricity have to be cut off per year because the grid cannot accommodate it.

At the same time, Germany struggles with meeting its climate goals due to the ongoing emissions from coal power plants that are needed in order to ensure the energy supply on windless nights.

The existing storage capacities such as pumping plants and reservoirs are limited and in Germany almost exhausted. Battery technology is being pushed, but scalability is restricted and the consumer uptake of electric mobility is slow. Moreover, in order to level out summer/winter fluctuation in renewable energy generation, long-term storage is required.

Therefore, researchers and industry are looking for alternatives. “Power-to-X” is one of the hot topics of the day – a vision moving towards application. The basic idea: Unused electricity is used to produce chemicals that can be stored without significant loss and can either be reconverted to energy or used as a basic resource for the chemical industry. This is more than just a technological innovation – it will change businesses and value chains fundamentally, as Jonas Aichinger, Mainzer Stadtwerke AG, explains: „Convergence of previously separated sectors like electricity, gas, mobility and industry link these markets and can be realized through Power-to-X technologies“

The “traditional” conversion path of electricity to energy-rich substances is the electrolysis of water. Hydrogen has multiple potential uses, making it a flexible and versatile energy store, especially as it can – at least to a certain limit – be coupled with existing gas infrastructures. So far, however, the technology is not competitive. Projects such as HYPOS – Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany e.V. are taking up the challenge to find the most cost-efficient pathway and create a showcase by combining technological innovations and existing networks and infrastructure.

“The energy conversion will only succeed with hydrogen”, says Dr. Bernd Pitschak, Hydrogenics GmbH – and hydrogen will play a key role in the ongoing transformation of the energy system. But current “Power-to-X” concepts take the approach one step further: They use renewable electricity to produce not only hydrogen, but by drawing on CO2 as an additional readily available resource, they synthesize methanol or more complex molecules such as synthetic fuels. This could provide the opportunity to kill two birds with one stone: By producing carbon-neutral fuels, greenhouse gas emissions from the mobility sector could be drastically reduced long before the onset of the era of electric mobility.

Even if all passenger cars should one day rely on batteries, there still remains the challenge of heavy-duty vehicles and aviation. Says Benedikt Stefánsson, Carbon Recycling International in Iceland: “Transport presents the most difficult challenge in decarbonization as only certain segments of urban mobility can be electrified with batteries, leaving long-distance driving, heavy goods transport, marine and aviation dependent on liquid transport fuels.“ And Patrick Schmidt, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, adds: “There is a real risk that any efficiency improvements in aviation will be overcompensated by aviation’s growth. For long-term greenhouse gas emission mitigation in aviation the use of sustainable carbon-neutral fuels is indispensable. […] For a robust strategy to manage energy transition in the transport sector a dual approach is required: the electrification of drivetrain/propulsion systems, and the electrification of the primary energy basis of fuels.”

What sounds so easy in theory, however, poses big technological challenges: The conversion of CO2 requires a lot of energy and/or highly sophisticated catalysts. Many chemical companies such as Covestro or BASF are putting a lot of effort in the development of these catalysts – and with success. MicroEnergy follows a different approach, using hydrogen as “feed” for methane-producing microorganisms. Methane, like hydrogen, can be fed into the existing natural gas grid. As Thomas Heller, MicrobEnergy, describes: „Renewable electricity turns into primary energy and has to be integrated into all other energy sectors in order to fulfil decarbonisation targets. This does not consequently lead to an all-electric society, but rather to a high demand of storage systems and sector coupling applications like Power-to-Methane is.“

If these technologies become successful – and experts certainly expect this to happen – an unexpected challenge might arise: So far, CO2 conversion technologies depend on punctual sources. One day, if CO2 conversion is a standard addition to any CO2 emitting plant, CO2 might actually become a scarce resource. The Swiss company Climeworks is setting forth to address this problem: They have developed a technology to capture CO2 from air and are aiming at capturing 1 % of global CO2 emissions from the air by 2025, says Dr. Jan Wurzbacher, Managing Director.

But is the success of Power to X technologies up to engineers and scientists alone? No, say experts almost unequivocally. Dr. Ralph-Uwe Dietrich, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., warns: „Without strong political authority the market introduction of power-to-X will not start.“ And Dr. Max Peiffer, AssmannPeiffer Attorneys, adds: „The current energy legislation does not provide a proper framework for Power-to-X-systems. The legislator needs to implement changes.“ Marcus Newborough,
Development Director, ITM Power plc., points out „the urgent need to place a value on having ‘renewable gas’ in the gas grid and for policymakers to establish a framework that enables the roll out of power-to-gas systems“

Power-to-X technologies require the cooperation of different sectors. The PRAXISforum Power-to-X  brings them together. Be part of this exciting story and join the PRAXISforum Power-to-X (18-19 October 2017, Frankfurt)

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RipplingerAm 11. und 12. September 2017 findet der 10. Bundesalgenstammtisch statt. Das zehnjährige Jubiläum gibt Anlass für einen Rück- und Ausblick im Interview mit Dr. Peter Ripplinger, stellvertretender Vorsitzender der DECHEMA-Fachgruppe Algenbiotechnologie und Geschäftsführer der Subitec GmbH.

 

Wie hat sich die Algenbiotechnologie in den letzten zehn Jahren entwickelt?

In den letzten zehn Jahren hat eine gewisse Skalierung stattgefunden: Raus aus dem Labor, hin zu Pilotanlagen und dort, wo schon Märkte existieren, auch in die Produktion.

Ein ganz großer Trend ging weg von der energetischen und hin zur stofflichen Nutzung. Vor zehn Jahren stand das Thema Biofuels national und international noch ganz weit oben auf der Agenda. Auch die europäische Community hat sich zuerst mit mehreren großen EU-Projekten und dem nationalen Projekt AUFWIND auf dieses Thema konzentriert. Dadurch entstanden unter anderem in Portugal und Spanien große Anlagen, und man konnte die Möglichkeiten der Skalierung für verschiedene Systeme vom geschlossenen Reaktor bis zum Open Pond austesten. Dazu hat man wichtige Aufgabenstellungen wie Medienrecycling, Rauchgasnutzung, eine Erhöhung des Automatisierungsgrades bearbeitet; man lernte in der Prozessführung dazu und ebenso beim Umgang mit Kontaminationen – alles zusammen führt dazu, dass sich die Technik enorm weiterentwickelt, und das ist wichtig für die Senkung der Produktionskosten – und damit auch für die Erschließung neuer Anwendungsfelder.

Was sind heute und in naher Zukunft die wichtigsten Märkte?

Es gibt ganz klar einen existierenden Markt im Bereich der Nahrungsergänzungsmittel, ob Astaxanthin, Omega-3-Fettsäuren oder „Ganzalgen“ – also Spirulina oder die neue ökozertifizierte Chlorella. Dieser Markt entwickelt sich sehr positiv – diese Entwicklung wird in jüngster Zeit auch – durch die Normungsaktivitäten von CEN und DINunterstützt. Es zeichnet sich zudem ab, dass durch die Überarbeitung der Novel-Food-Verordnung die Zulassung von Algen als Nahrungsergänzungsmittel erleichtert wird. Bisher war das eine hohe Hürde, denn die Firmen im Algenbereich sind meist klein; die Zulassung ist mit hohen Kosten verbunden und der mangelnde Schutz vor Nachahmern führt zu einer starken Unsicherheit.

Ein weiterer Markt, der beständig wächst und in dem sich Algen schon gut etabliert haben, ist die Aquakultur. Bisher nicht industriell genutzte Mikroalgen werden zunehmend in der Larvenaufzucht bei neuen Fischarten eingesetzt. Synthetisches Astaxanthin, das bisher in der Lachszucht für die Rotfärbung sorgt, kann nun auch aus der Mikroalge Hämatococcus pluvialis auf natürliche Weise gewonnen werden um die Märkte für Biofisch zu erschließen. Evonik und DSM haben im März 2017 ein Joint Venture zur heterotrophen Produktion von Algenöl gegründet, um das knapper werdende Fischöl in der Lachszucht zu ersetzen. Viele Algenfirmen, gerade aus dem ehemaligen Biofuel-Sektor,  arbeiten auch an der photoautotrophen Produktion von Algen als Futtermittel.

Der dritte Bereich sind Nischen im Bereich der Kosmetik und vielleicht mittelfristig auch im Pharmabereich. Die Proteinproduktion in Algen hat wegen der Glykosilierungsmuster Vorteile gegenüber tierischen Zellen; diese Arbeiten sind aber noch im Entwicklungsstadium.

Lesen Sie im zweiten Teil des Interviews, welche Perspektiven für die energetische Nutzung von Mikroalgen bestehen.

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