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Posts Tagged ‘Power-to-X’

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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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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carbonnext_logo_4c_300dpi-300x83Die DECHEMA untersucht bereits seit vielen Jahren die technischen Optionen, um das Treibhausgas CO2 industriell nachhaltig zu nutzen. Die Anwendungsfelder, bei denen CO2 als Synthesebaustein genutzt werden kann, reichen in der chemischen Industrie von Kunststoffen bis hin zu Kraftstoffen der Petrochemie.  Des Weiteren besteht ein hohes Potenzial, CO2 in der Baubranche als Komponente von Baumaterialen einzusetzen. Die Prozesse zur stofflichen Nutzung von CO2 sind eine Herausforderung an sich; eine weitere ist es, die besten Quellen von CO2 für jeden der spezifischen Prozesse und deren Produktionsstandorte zu bewerten.  Im Projekt CarbonNext, eine „Coordination and Support Action“ im H2020 Forschungsprogramm der EU, angesiedelt in SPIRE, untersucht die DECHEMA mit Hilfe der Projektpartner University of Sheffield aus England und Trinomics BV aus den Niederlanden, alternative Kohlenstoffquellen für die Prozessindustrie und andere Rohöl-konsumierende Sektoren in Europa. Dabei soll analysiert werden, welche Quellen für welchen Prozess und Standort am geeignetsten ist. Das Hauptaugenmerk liegt auf CO2 und CO aus industriellen Abgasen, des Weiteren werden nicht konventionelle Kohlenstoffquellen wie Schiefergas, Ölsand, Methangewinnung aus Kohleflözen oder Power-to-liquid- und Power-to-coal-Technologien bewertet. (mehr …)

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Bundesforschungsministerin Professor Johanna Wanka hat am 5. April in Berlin die neuen Kopernikus-Projekte vorgestellt. Ausgewählt wurde auch das Projekt „Power-to-X“, das von einem Konsortium bestehend aus RWTH Aachen, Forschungszentrum Jülich und DECHEMA koordiniert wird. Auch das DECHEMA-Forschungsinstitut ist Projektpartner.

Prof. Dr. Kurt Wagemann, Geschäftsführer der DECHEMA, der selbst maßgeblich an dem Projekt beteiligt ist, freut sich über den Erfolg:“Das Thema Energiespeicherung und die Verknüpfung des Energiesystems mit der chemischen Industrie, aber auch der Mobilität, steht bei der DECHEMA schon lange auf der Agenda. In den letzten Jahren haben wir dazu Kompetenzen systematisch aufgebaut.“ So hat die DECHEMA in den letzten Jahren eine Reihe von Veröffentlichungen herausgebracht, zum Beispiel zur Elektrifizierung der Chemie oder zu den technischen Möglichkeiten der Energiespeicherung und ihrer systemischen Verknüpfung. „Die Energieversorgung wird chemischer werden – diese Prognose, die Prof. Dr. Ferdi Schüth schon vor Jahren als Vorsitzender des Koordinierungskreises chemische Energieforschung getroffen hat, hat sich bewahrheitet“, meint Kurt Wagemann. Um angesichts des Zuwachses an erneuerbaren Energien das Energiesystem stabil zu halten, werden kurz-, mittel- und langfristig Speicher-möglichkeiten benötigt – je flexibler, desto besser. Hier kommt „Power to X“ ins Spiel: 5_solar-power-1019830_1920Indem mit Hilfe von „Überschussstrom“ Chemikalien erzeugt werden, werden „Speicher“ gefüllt, die sowohl für die Rückverstromung genutzt werden könnten (beispielsweise H2 oder Methan), die aber auch in andere Sektoren „abfließen“ können – etwa Kraftstoffe oder Plattformchemikalien. Gegenüber anderen Speicheroptionen ist die Energiedichte deutlich höher, und je nach Endprodukt kann die Wertschöpfung erheblich höher sein als die Rückverstromung. „Für die chemische Industrie heißt das allerdings, dass Prozesse entwickelt werden müssen, bei denen mindestens ein Schritt eine sehr flexible Fahrweise erlaubt“, erklärt Wagemann. (mehr …)

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