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23. Januar 2023

Energie

Effizientere Produktion erneuerbarer Energieträger

Zwei Forscherteams an der OST – Ostschweizer Fachhochschule und der EPFL in Sion haben es in Zusammenarbeit geschafft, den Wirkungsgrad für einen zentralen Prozess bei der Speicherung von erneuerbarer Energie in Form von synthetischen Brennstoffen von den bisher üblichen 50% auf nahezu 70% zu steigern.

Erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie produzieren heute schon bedeutend billigere Energie als Atomkraftwerke. Speichern lĂ€sst sich diese Energie bisher aber nur sehr teuer. Deshalb arbeiten Forscherteams weltweit an Konzepten, erneuerbare Energie möglichst effizient und gĂŒnstig zu speichern. Eine rein elektrische Energiezukunft ist unwahrscheinlich. WĂ€hrend sich Autos oder GebĂ€udeheizungen gut von fossilen Brennstoffen auf Strombettrieb umstellen lassen, sind andere Bereiche auf Brennstoffe angewiesen. Industrielle Prozesse wie die Betonproduktion, der Flug- und Schwerlastverkehr oder die Schifffahrt brauchen die im Vergleich zu Akkus deutlich höhere Energiedichte. Also die Möglichkeit, möglichst viel Energie aus möglichst wenig mitgefĂŒhrter EnergietrĂ€germasse zu beziehen.

Vor dem Hintergrund des globalen Ziels, den CO2-Ausstoss auf Null zu bringen, ist die bisher einzige Lösung fĂŒr dieses Problem die Speicherung von erneuerbarer Energie in Form von synthetischen Treibstoffen. Denn bei der Produktion von beispielsweise Diesel aus erneuerbarem Strom, wird der AtomsphĂ€re genauso viel CO2 entzogen, wie bei der Verbrennung wieder frei wird.

Ein Forscherteam des IET Institut fĂŒr Energietechnik der OST hat seit 2017 zusammen mit weiteren Partnern, insbesondere der EPFL, an der Hochtemperatur-Elektrolyse gearbeitet, um die Umwandlung von Strom in Methan effizienter zu machen. Das angepeilte Ziel war, den Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von aktuell 50% auf 70% bei einer Anlage im industriellen Massstab zu erhöhen. Gemessen wurde diese signifikante Steigerung nun in der Power-to-X-Forschungsanlage des IET in Rapperswil-Jona. Der Prototyp der Hochtemperatur-Elektrolyse wurde hier im Demonstrationsmassstab (rund 15 kW) mit einer in der Industrie ĂŒblichen PEM-Elektrolyse verglichen, beide in Kombination mit einer katalytischen Methanisierung. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Elektrolysetechnologien ist, dass die Hochtemperatur-Elektrolyse stark erhitzten Wasserdampf als Ausgangsstoff nutzt, wĂ€hrend die PEM-Elektrolyse flĂŒssiges Wasser verwendet.

Energie speichern wirtschaftlich machen
Kern der neuartigen Demonstrationsanlage ist, dass die fĂŒr die Dampfherstellung benötigte Energie von der nachgeschalteten Methansynthese anfallenden ReaktionswĂ€rme stammt. Dabei wird die anfallende WĂ€rme sinnvoll genutzt anstatt sie als Verlust entweichen zu lassen. Bei Versuchen im Teillastbereich liessen sich so rund 3/4 der benötigten Dampfmenge herstellen, welche fĂŒr die sehr effiziente Hochtemperaturelektrolyse benötigt wurde. Zusatzversuche zur optimierten WĂ€rmeintegration an der EPFL zeigen, dass das Erzeugen von 100% des benötigten Dampfes dank der WĂ€rme der Methansynthese möglich ist. Der Betrieb konnte ohne Probleme ĂŒber mehrere Stunden aufrechterhalten werden. Erste Vergleiche zwischen den beiden Betriebsarten zeigen, dass dank der neuen Technologie der Betrieb um satte 25 Prozentpunkte effizienter war. Dabei wurden die AufwĂ€nde fĂŒr die Kompensation der thermischen Verluste sowie der Betrieb von Hilfsaggregaten wie zum Beispiel fĂŒr die KĂŒhlung und die Druckluftherstellung nicht berĂŒcksichtigt. Dem angepeilten Ziel, den Gesamtwirkungsgrad der Power-to-Gas-Umwandlung (Stromspeicherung in Form von Methan) von aktuell 50% auf 70% zu erhöhen, steht das Projektteam demnach sehr nahe. Die Versuche werden in der ersten JahreshĂ€lfte 2023 mit einer frisch revidierten Anlage wiederholt, um die Versuchsdaten der ersten beiden Testreihen zu bestĂ€tigen. Gelingt es, die Ergebnisse zu bestĂ€tigen ist ein wichtiger Schritt fĂŒr die Speicherung von erneuerbarer Energie geschafft

Die Steigerung des Wirkungsgrads bei der Umwandlung von erneuerbarem Strom in erneuerbare EnergietrĂ€ger ist ein wirtschaftlich sehr relevanter Faktor, wenn es darum geht, ÜberschĂŒsse aus erneuerbarer Energie im Sommer fĂŒr die Verwendung im Winter zu speichern. Mit dem Erfolg der IET und EPFL Teams, den Wirkungsgrad fĂŒr die Produktion von klimaneutralem, synthetischen Methan zu steigern, wird es möglich, beispielsweise synthetisches Erdgas im industriellen Massstab zu produzieren.

Herausforderungen Energiedichte und Akkuproduktion
In einem Kilogramm Diesel steckt in etwa 40-50 mal so viel Energie wie in einem Kilogramm eines modernen Lithium-Ionen-Akkus. Ein Elektro-Lkw mĂŒsste also zum Beispiel statt eines 100 Kilogramm fassenden Dieseltanks einen 4‘000 bis 5‘000 Kilogramm schweren Akku mittransportieren, um die gleiche Energiemenge mitzufĂŒhren. Dieses VerhĂ€ltnis lĂ€sst sich auch trotz des im Vergleich zum Verbrenner effizienteren Elektroantriebs nur mit Einbussen bei der Reichweite oder bei der möglichen TransportkapazitĂ€t kompensieren – was wiederum die Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit reduziert und damit zu höheren Kosten fĂŒhrt.

Zudem lassen sich elektrische EnergieĂŒberschĂŒsse aus erneuerbaren Quellen im Sommer ĂŒber lĂ€ngere ZeitrĂ€ume gĂŒnstiger und flexibler nutzbar in Form von synthetischen Brennstoffen als in Akkus speichern. Brennstoffe verlieren bei der Lagerung und beim Transport ĂŒber weite Strecken anders als elektrischer Strom keine Energie und lassen sich je nach Brennstoff-Art wieder in (Gas)kraftwerken verstromen, in Fahrzeuge tanken oder durchs Gasnetz schweizweit verteilen.

Und zu guter Letzt lassen sich synthetische Brennstoffe ohne Umbau-Investitionen in der bestehenden Infrastruktur (z.B. im Gasnetz, in Fahrzeugen oder in Industrieprozessen) verwenden, ohne seltene und teure Ressourcen fĂŒr die Produktion von industriellen Akku-Anlagen oder transportablen Akkus zu benötigen.

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