Biogene Gase, PtX und CCU (Carbon capture and use)

Die stoffliche und energetische Nutzung von Kohlenstoff beruht in einem nachhaltigen Wirtschafts- bzw. Energiesystem auf drei Quellen: Biomasse, Abgasen und anderen CO₂-Punktquellen sowie CO₂ aus der Luft. Während Biomasse direkt mittels einer Reihe von Technologien umgewandelt werden kann, bedarf das CO₂ immer der Aktivierung durch Wasserstoff. Dies eröffnet interessante Möglichkeiten, den Wasserstoff mit Blick auf die Resilienz des Gesamt-Energiesystems einzusetzen, z.B. zur saisonalen Speicherung oder Verschiebung von Energie.

Ziele

Als Beitrag zur Lösung des saisonalen Ungleichgewichts wird das Potenzial zur Optimierung von flexiblen Power-to-X-Prozessen untersucht, um zu verstehen, inwieweit eine zeitlich limitierte Verfügbarkeit von Wasserstoff durch technische Massnahmen aufgefangen werden kann und welchen Einfluss dies auf die Kosten bzw. die Wirtschaftlichkeit hat.

Als Beispiel wird eine PtG-Anlage auf Basis von Biogas gewählt, mit Fokus auf eine synergistische Kombination von Gasaufbereitungsmembranen und Methanisierungs­reaktoren sowie deren flexiblem Betrieb. Das Ziel ist es, Wasserstoff zu produzieren, wenn mehr Strom verfügbar ist als vom Netz aufgenommen werden kann, und diesen zur Aufbereitung von Biogas zu nutzen, indem das im Rohbiogas enthaltene CO₂ mit H₂ zu CH₄ umgewandelt wird. Das so gewonnene Biomethan kann dann in der bestehenden Erdgasinfrastruktur gespeichert werden zur späteren Nutzung.

Im Winter wird der gesamte inländische Strom aus erneuerbaren Energien verbraucht zur Verminderung der Winterstromlücke. Eine geringere oder sogar keine Wasserstoffproduktion ist in dem Moment wünschenswert, um den Stromimport zu verringern. Das Rohbiogas kann zu diesen Zeiten durch Abtrennung des CO₂ zu einspeisefähigen Biomethan aufgearbeitet werden. Das abgetrennte CO₂ steht dann auch für Sequestrierung zur Realisierung von Negativemissionen zur Verfügung (NET).

Vorgehen

Durch detaillierte Prozessmodellierung unter Verwendung ratenbasierter Modelle für die Membrantrennung und den Methanisierungsreaktor werden optimale Konfigurationen und Betriebsmodi der kombinierten Technologien entwickelt. Damit wird der Nachweis erbracht, dass eine Biogasanlage mit der gleichen Ausrüstung im Sommer- und Wintermodus betrieben werden kann. Es werden verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung eines Teillastbetriebs (z. B. wo die Rückführungsströme integriert werden sollen) und Varianten von An- und Abfahrvorgängen vorgeschlagen und bewertet.

Durch Experimente auf einer Pilotanlage am PSI konnte im Betrieb eine CO₂-Methanisierung realisiert werden mit einer Leistung von 37 kW bzw. 200 kW (höherer Heizwert der Methanleistung), was einen Teillastbetrieb des Wirbelschicht-Methanisierungsreaktors von 20% bis 100% demonstrierte. Während dieser Experimente wurden Konzentrationsprofile gemessen. Diese Daten werden auch für die Validierung detaillierterer Reaktormodelle in Rahmen eines finanzierten Folgeprojekts genutzt .

Parallel wird an verbesserten Wasserstoffverdichtern für kleinere Anlagen gearbeitet. Zur Erfassung der thermodynamischen Eigenschaften der H₂-Kolbenverdichter-Prototypen werden durch APEX und OST zwei Prüfstände und ein detailliertes Messkonzept entwickelt, um Dauertests über Kompressionszyklen durchzuführen.

Beteiligte Partner

• Schweizer KMU als Technologieanbieter: AlphaSYNT, APEX
• Im PtG-Bereich erfahrene Forschungspartner: PSI, FH OST

Resultate

Bei der Systemsimulation einer flexiblen PtG-Anlage stellte sich heraus, dass aufgrund des relativ hohen Anteils der Betriebskosten (d.h. Strom für die Wasserstoffproduktion) die CAPEX-Einbussen bei Teillastbetrieb weniger schwerwiegend sind und wirtschaftlich gesehen weniger als 7000 Volllast-betriebsstunden des Methanisierungsreaktors und der Elektrolyse möglich sind. In einer Zukunft mit höheren Winterstrompreisen und einem erheblichen Wert des biogenem CO₂ (z. B. für negative Emissionen/NET) sind sogar knapp 5000 Stunden möglich. Dies zeigt das hohe Potenzial von flexiblem Biogas-PtG zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Energiesystems durch die Vermeidung des Einsatzes von Winterstrom einerseits und die Wertschöpfung aus sowie Speicherung von Sommerstrom andererseits.

Aus verschiedenen Vorprojekten und der Modellierung im Rahmen von DeCIRRA wurden die sinnvollen Betriebsparameter (Druck, Temperatur, Volumenströme) für Teillastbetrieb eines Wirbelschicht-Methanisierungsreaktors sowie die Prozeduren zum Lastwechsel abgeleitet. Es ist ein wichtiger Meilenstein, dass diese Erkenntnisse durch die Experimente an der Pilotanlage bestätigt wurden und dieses Wissen bei der weiteren Zusammenarbeit von AlphaSYNT und PSI einfliesst, insbesondere bei der Hochskalierung zu einer 0.5 MW Anlage im Rahmen des EU/SBFI-Projekts HyFuelUp (https://hyfuelup.eu/).