Technische Entwicklung der internen Methanisierung im Gasauslasskanal

FKZ: 03ET6133A

Projekthintergrund

Im Zuge der angestrebten Energiewende wird zunehmend ein Ausgleich der fluktuierenden Erzeugung von erneuerbaren Energien notwendig sein, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) aus überschüssiger elektrischer Energie werden dabei einen wichtigen Baustein bilden. Zudem wird eine Kopplung der Sektoren Energie und Verkehr mit der Verwendung von Wasserstoff oder synthetischem Erdgas als Kraftstoff geschaffen.

Durch die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie kann diese langfristig gespeichert werden. Der erzeugte Wasserstoff wird entweder erzeugungsnah gespeichert oder alternativ bis zu einem Volumenanteil von 5 % direkt in das Erdgasnetz eingespeist.

Um die umgewandelte elektrische Energie unbegrenzt in das Erdgasnetz einzuspeisen, wird der Wasserstoff in einem nachgeschalteten Sabatier-Prozess durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Kohlenstoffmonoxid (CO) bei Temperaturen zwischen 200 – 700 °C in Methan, der Hauptkomponente von Erdgas, umgewandelt (Abbildung 1). Dieses Verfahren wird auch als Power-to-Gas (PtG) bezeichnet. Hierbei lassen sich weitere Optimierungspotentiale in der energetischen Nutzung des aus erneuerbaren Energien erzeugten Wasserstoffs finden.

Das relevanteste PtG-Verfahren nach dem Sabatier-Prozess weist nach dem Stand der Technik folgende Nachteile auf:

• Die Methanisierung erfolgt apparativ gesondert und nicht direkt nach der Elektrolyse.
• Es erfolgt keine Nutzung von Temperatursynergien, wodurch sich eine geringe Effizienz ergibt
• Der hohe apparative Systemaufwand führt zu hohen Kosten.

Abhilfe lässt sich mit einer internen Methanisierungseinheit im Gasauslasskanal erzielen. Die Effizienz kann dabei gesteigert werden, da die Abwärme des Elektrolyseurs direkt für die Methanisierung genutzt wird. Ebenso lässt sich durch die Reduzierung des Systemaufwands eine Kostenersparnis erreichen.

Projektziel

Dieses Teilprojekt untersucht die Vereinigung der Reaktionen der Elektrolyse und der Methanisierung in einer gemeinsamen Apparatur, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern und die Systemkosten zu senken (Abbildung 2). Dabei wird sich auf die Elektrolyse durch PEM-Elektrolyseure konzentriert.

Ein Ansatz der dazu verfolgt wird, ist die Untersuchung des Konzeptes der Hybrid‑Plasma‑Katalyse, um das niedrige Temperaturniveau von PEM-Elektrolyseuren optimal nutzen zu können. Durch die Erzeugung von nichtthermischem Plasma bei der katalytischen Methanisierung können signifikante Umsätze bei relativ niedrigen Temperaturen erzielt werden. Erwartet wird zudem ein dynamischeres Lastwechselverhalten gegenüber konventionellen Katalysen.

Methodisches Vorgehen

Zu Beginn des Projekts werden mögliche Reaktoren zur internen Methanisierung als physikalisches Modell mit der Software COMSOL Multiphysics® erstellt. Dabei werden sowohl mögliche Geometrien als auch Materialeigenschaften nachgebildet und Gleichungen zur Beschreibung des Reaktionsablaufs implementiert. Durch die Analyse der Simulationsergebnisse werden die geeignetsten Varianten für experimentelle Untersuchungen ausgewählt. Davon ausgehend werden Prototypen hergestellt und mit unterschiedlichen Katalysatoren charakterisiert. Für diese Untersuchungen wird eigens ein Teststand entwickelt und in einem Labor der Professur installiert. Schließlich werden die gewählten Katalysatoren hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität qualifiziert.

Publikationen

Cosse, C.; Best, S.; Schulz, D.
Anforderungen an die Elektrolyse-Methan-Zelle,
In: Hamburger Beiträge für den technischen Klimaschutz,
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Oktober 2019,
Bd. 1,  S. 122-127, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-247-7, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-248-4

Best, S.; Cosse, C.; Schulz, D.
Hybrid-Plasma-Katalyse zur Methanisierung im Power-to-Gas Prozess,
In: Hamburger Beiträge für den technischen Klimaschutz,
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Oktober 2019,
Bd. 1,  S. 128-132, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-247-7, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-248-4

Cosse, C.; Best, S.; Schulz, D.
Applicability of Fixed Bed Reactors for Methanation in Electrolysis-Methanation-Cells,
REPE 2019 IEEE 2nd Int. Conf. on Ren. En. & Power Eng., Toronto, Kanada, 2.-4. November, 2019

Projektpartner:

Das Projekt StBZuEL – Entwicklung und Test von elektrisch steuerbaren Membraneinheiten in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren mit interner Methanisierung im Auslasskanal wird in Kooperation mit der Firma Altran Deutschland S.A.S. & Co. KG bearbeitet.

Patente:

[1] Schulz, D.: Brennstoffzellenmembraneinheit, steuerbare Brennstoffzelle und Hochdruckelektrolysezelle, 15.12.2011, Patent DE 10 2011 088 613

[2] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, United States Patent, Patent No.: US 9,437,887 B2, Sep.6, 2016

[3] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, European patent No. 2791392, 16.08.2017

[4] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Chinese patent, Patent No.: ZL2012800617937, 6.12.2017

[5] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, European patent No. 2978875, 07.03.18

[6] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, Chinese patent, Patent No.: ZL 2014800178483, 22.06.2018

[7] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, United States Patent, Patent No.: US 1050235506 B2, Jul. 17, 2018

[8] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, Japanese Patent Number 6462660, 11.01.2019

[9] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Japanese Patent Number 8486105, 01.03.2019

[10] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Korean Patent Number 10-2001703, 12.07.2019

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz (Projektleiter)
Dipl.-Phys. Stefan Best
Dr. rer. nat. Daniel Becker
Fakultät für Elektrotechnik
Elektrische Energiesysteme

HSU

Letzte Änderung: 14. März 2022