Power-to-X: Erfolgreiche Expertinnen- und Expertengespräche

Bei der Veranstaltungsreihe des IET Instituts für Energietechnik drehte sich alles um Power-to-X-Prozesse. Die 11. Durchführung vom 23. September widmete sich den katalytischen und biologischen Methanisierungsverfahren, ihren Herausforderungen, Vor- und Nachteilen.

7 bis 23 Jahre bis zum 2°C-Ziel

Im ersten Referat der Veranstaltung stellte Jörg Roth, PSI, die Entwicklung von Power-to-Gas in der Schweiz in den letzten sieben Jahren vor. Er betont die Wichtigkeit von Wissens- und Technologietransfer, welcher im Dreieck von Industrie, Bildung sowie Politik und Öffentlichkeit geschieht.

In den vergangenen sieben Jahren hat sich im Bereich Power-to-Gas einiges getan: So gab es 2014 schweizweit erst eine kleine Demonstrationsanlage, welche vom IET betrieben wurde. Aktuell wird die erste industrielle Power-to-Gas-Anlage installiert und im kommenden Frühjahr in Betrieb genommen. Mit den Store&Go-Anlagen konnte für die dort eingesetzten Technologien ein Technologiereifegrad von 7 erreicht werden. Um rechtzeitig für das Erreichen der im Pariser Klimaabkommen gesetzten Ziele zur Verfügung zu stehen, müssen Technologien heute diesen Technologiereifegrad von 7 haben. Dies daher, weil weniger entwickelte Technologien zu lange brauchen, um für die Energiewende rechtzeitig bereit zu stehen. Denn die Zeit drängt: In den kommenden 7 bis 23 Jahren wird sich herausstellen, ob wir das 2°C-Ziel erreichen.

Weitere Berichte und Publikationen zu Power-to-X in der Schweiz:

Weissbuch Power-to-X (pdf) 

Bericht der Aktivitäten am IET Institut für Energietechnik

Handbook Energy Storage

Entwicklung einer Power-to-Gas-Anlage mit 70% Wirkungsgrad

Die aktuellen Aktivitäten an der IET-Forschungsanlage HEPP (High Efficiency Power-to-Methane Pilot) wurden vom Projektleiter Luca Schmidlin vorgestellt. An dieser Anlage wird eine Methode entwickelt, wie bei grossindustriellen Anlagen ein Gesamtwirkungsgrad von 70% erreicht werden kann (Strom zu Methan, Brennwert) – was mit einer konventionellen Power-to-Gas-Anlage nicht möglich ist. Es wird ein ausgeklügeltes Wärmemanagementsystem in Kombination mit einer Hochtemperaturelektrolyse entwickelt. Diese Elektrolyse stammt von der EPFL, das Wärmemanagement und der katalytische Methanisierungsreaktor sind Eigenentwicklungen des IET. Erste Tests des Reaktors zeigten, dass bereits 2 Minuten nach Start der Anlage die Qualität des produzierten Gases so gut ist, dass das Gas ins Erdgasnetz eingespiesen werden kann.

Ebenfalls an der Pilotanlage untersucht werden die behördlichen Schritte zur Genehmigung einer Power-to-Gas-Anlage. So können Erfahrungen gesammelt und die Hürden für kommerzielle Anlagen gesenkt werden.

Der schlaue Katalysator

Den Wirkungsgrad einer Methanisierung erhöhen kann man neben einem Wärmemanagement auch mit Materialanpassungen. So stellte André Heel, Leiter Advanced Materials and Processes am UMTEC Institut für Umwelttechnik der OST, den SmartCat vor. Das Ziel ist, aus dem auf Nickel basierenden Katalysator ein "Smart-Material" zu machen. Auf den Katalysator wird ein Material aufgetragen, das Wasser in seinen Poren aufnehmen kann. Das führt dazu, dass der Wasserstoff vollständig in Methan umgewandelt werden kann, was den Wirkungsgrad erhöht. Dies bedeutet aber auch, dass der Reaktor getrocknet werden muss und damit im Betrieb mindestens zwei Reaktoren notwendig sind, so dass Trocknung und Betrieb abgewechselt werden können. Zusätzlich werden aktuell andere Trägermaterialien als Nickel für die Katalyse geprüft, da dieses schädlich für die Gesundheit ist.

Die Vorteile der Entfernung des Wassers direkt beim Katalysator wurde auch von Karin Schröter betont. Sie arbeitet an ähnlichen Methoden an einer Versuchsanlage der EMPA, die unter dem Namen move MEGA bekannt ist. Die Entfernung des Wassers ermöglicht das Erreichen von einem reinen Produkt in nur einer Stufe, ebenso werden Hotspots verhindert und der Druck kann niedrig gehalten werden.

"Archie"

Anders als bei der katalytischen Methanisierung, wird in einem biologischen Reaktor das Methan von Mikroorganismen produziert, von sogenannten Archaeen (welche beim Projekt Store&Go den liebevollen Übernamen "Archie" erhielten). Wolfgang Merkle von der ZHAW hob die Vorteile der biologischen Methanisierung gegenüber der katalytischen hervor:

  1. Die zugeführten Gase müssen vorher nicht gereinigt werden, weil die Archaeen die Verunreinigungen sogar gerne haben.
  2. Es können lokale Mikroorganismen genutzt werden (wie z.B. bei Biogasanlagen und Abwasserreinigungsanlagen).
  3. Schnelle Reaktionszeit bei niedrigen Temperaturen. Dafür sind biologische Reaktoren grösser als katalytische Reaktoren.

Die Archaeen ernähren sich von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff und verdoppeln sich bei guter Pflege alle 3-4 Tage. Eine Challenge bei der biologischen Methanisierung ist jedoch das bei der Methanbildung entstehende Wasser, welches aus dem Reaktor entfern werden muss ohne dabei die Mikroorganismen herauszuspülen.

Doris Hafenbradl, CTO von Electrochaea, erzählte die Geschichte des biologischen Methanisierungsreaktors in Zuchwil, Solothurn, welcher dort auf den Technologiereifegrad 7 weiterentwickelt wurde. Und sie weist darauf hin, dass Archie nicht rund ist, wie das gleichnamige Plüschtier vermuten lässt, sondern dass Archaeen dünne, längliche Fäden sind.

In Zuchwil wurden 140 Nm3/h Wasserstoff und 35 Nm3/h CO2 in einer biologischen Methanisierung umgewandelt, das entstandene Methan wurde ins Netz eingespeist. Eine Gasqualität von 97% mit kleinen Resten an CO2 und Wasserstoff konnte erreicht werden – ohne Nachreinigung. In den 1200 Betriebsstunden während dem Store&Go-Projekt wurde 14'000 Nm3 Methan ins Gasnetz eingespeist. Das Projekt zog rund 900 internationale Besucher an. Inzwischen ist die Anlage wieder abgebaut und wird nun bei einer Kläranlage in Pfaffenhofen, Bayern, installiert.

Die Methanisierung im Untergrund

Zum Schluss präsentierten Andreas Kunz, Energie 360°, und Zoe Stadler, IET OST, "Unterground Sun Conversion – Flex Store". In diesem Projekt wird die Möglichkeit untersucht, im Sommer Wasserstoff und CO2 in einen Untergrundspeicher einzubringen, in welchem sich Archaeen befinden. Werden die beiden Edukte genug lang dort gelassen, werden diese von den dort natürlich vorkommenden Archaeen in Methan umgewandelt und nach rund vier Wochen kann bei Bedarf das fertig produzierte Methan gefördert werden. Mit diesem Konzept lässt sich ein saisonaler Speicher etablieren. Das Projekt hat Ende 2020 gestartet und dauert bis 2023. Darin enthalten sind geologische Untersuchungen für die Möglichkeiten in der Schweiz, Feldversuche in der Testanlage in Österreich sowie ökonomische Untersuchungen.

Infos zum Projekt

 

Webseite ExertInnengespräche Power-to-X

Fotografin: Debby Yasmine Spinelli, debby-fotografie.ch