Erfahrungsaustausch Methanisierung – Die Vorträge vom 6.7.2022

von | Jul 26, 2022 | News, Präsentationen

„Katalytische Methanisierung im Kontext von Carbon Capture and Utilizisation“ von Markus Lehner, VTiU – Montanuniversität Leoben

Im Vortrag von Markus Lehner wurden die Chancen und Herausforderungen der Carbon Capture and Utilization (CCU) Technologien dargelegt. Die Prozesspfade zur CO2 Nutzung teilen sich dabei in Fuels & Organic Chemicals, Working Fluids, Inorganic Materials und Biomasse. Als chemische Verwertungsrouten stehen Karbonatisierung, Methanisierung, photokatalytische Reaktionen und Wassergas-Shift Reaktionen zur Herstellung von Synthesegas zur Verfügung. Letztere eröffnen weitere Möglichkeiten zur Herstellung von synthetischen Treibstoffen, Methanol und Ammoniak. Das Treibhausgaspotential unterschiedlicher Power-to-Gas (PtG) und Power-to-Liquid (PtL) Produkte wurde mit jenem von fossilem Diesel verglichen. Dabei spielt der Strommix in den jeweiligen Herstellerländern eine entscheidende Rolle. Ebenfalls untersucht wurde der Energieeinsatz und die Treibhausgasemissionen verschiedener Routen zur Wasserstoffproduktion, wie Elektrolyse, Dampfreformierung und Methanpyrolyse. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für CCU sind die CO2 Abscheidungskosten. Ein Vergleich unterschiedlicher Routen muss einer vollständigen Lebenszyklusanalyse unterzogen werden.

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Böhm H, Lehner M and Kienberger T: (2021) Techno-Economic Assessment of Thermally Integrated Co-Electrolysis and Methanation for Industrial Closed Carbon Cycles. Front. Sustain. 2:726332. doi: 10.3389/frsus.2021.726332

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„Catalyst design for the direct electrocatalytic CO2 reduction reaction (e-CO2RR)” von Wolfgang Schöfberger, Schöfberger Lab – JKU Linz

Wolfgang Schöfberger ging in seinem Vortrag auf die chemischen Grundlagen der elektrokatalytischen Konvertierung von CO2 aus industriellen Abgasen zu wertvollen Ausgangsprodukten für die weiteren Synthetisierung ein. Im Vordergrund stehen dabei Synthesegas (H2 und CO), Ameisensäure und Methanol. Methan, Ethanol und Ethylen sind ebenfalls möglich, benötigen allerdings einen höheren Energieeinsatz – der idealerweise vollständig durch Quellen gedeckt ist. In der Gruppe wird unter der Leitung von Schöfberger an der JKU einerseits an geeigneten, nachhaltigen Katalysatoren geforscht und andererseits elektrochemische Zellen entwickelt, um diese auf Effizienz und Stabilität zu untersuchen. Die wesentlichen Komponenten sind dabei Metal-Polymer Elektroden, die gasdurchlässig und elektrisch leitfähig sein müssen. Gleichzeitig sollen diese eine hohe interne Oberfläche besitzen, um effizient zu arbeiten. Die Produkte der Umsetzung werden mit präziser Analysetechnik wie NMR Spektroskopie untersucht.

Schoefberger Lab | Institut für Organische Chemie (jku.at)
3864. Gonglach, S. Paul, M. Haas, F. Pillwein, S. S. Sreekumar, S. Barman, R. De, S. Müllegger, P. Gerschel, U.-P. Apfel, H. Coskun, A. Aljabour, P. Stadler, W. Schöfberger*, and S. Roy*, Nat. Commun. 2019, 3864.

https://doi.org/10.1038/s41467-019-11868-5

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„Methanisierung in der Stahlindustrie“ von Irmela Kofler, K1-MET und Nina Kieberger, voestalpine

Im Vortrag von Irmela Kofler und Nina Kieberger ging es um die Methanisierung in der Stahlindustrie. Um eine Dekarbonisierung zu ermöglichen, muss es vor allem in der Stahlindustrie zu Veränderungen kommen, welche jedoch nur etappenweise möglich sind. Zur Erreichung dieses Ziels ist K1-MET zusammen mit der voestalpine an verschiedenen Projekten beteiligt, beispielsweise dem RFCS Research Projekt. Dieses Projekt beschäftigt sich mit dem Einsatz von Wasserstoff in der Stahlindustrie und der Wiederverwendung und Aufwertung fossiler Nebenprodukte. Außerdem soll dabei eine Synthese (Methan, Methanol) in Kombination mit erneuerbarem Wasserstoff in ein Stahlwerk integriert werden.
Um eine klimaneutrale Produktion zu ermöglichen, soll in der Stahlindustrie der herkömmliche Hochofen durch einen Lichtbogenofen ersetzt werden. Dieser benötigt jedoch einen Strombedarf von 28 TWh,, der besonders in den Wintermonaten durch erneuerbare Energien allein nicht abgedeckt werden kann. Daher wird an einer Energiespeicherung unter dem Projektnamen C-CED in Zusammenarbeit mit RAG Austria AG und WIVA P&G gearbeitet. Hierbei wird Kohlenstoff aus der Industrie und Wasserstoff in einem Gasspeicher eingebracht, wodurch Methan mittels biologischer Geo-Methanisierung erzeugt wird, welches dann wiederum in der Industrie genutzt werden kann.
K1-MET und voestalpine arbeiten auch an weiteren Projekten, wie beispielsweise LOCON (Low Energy CO2 Conversion and Utilization).

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„Techno-ökonomisches Potenzial der Methanisierung“ von Hans Böhm, Energieinstitut a. d. JKU Linz

Das Energieinstitut an der JKU Linz beschäftigt sich mit energiewirtschaftlichen, -rechtlichen, und technischen Fragen und stützt sich dabei auf wissenschaftliche Grundlagen, die im Haus erforscht und behandelt werden. Im Zuge dieser Tätigkeit hat Hans Böhm sich mit dem Thema des „Techno-ökonomischen Potenzials der Methanisierung“ beschäftigt. Bei der fundierten Berechnung der ökologischen und ökonomischen Effekte des Methanisierungsprozesses wurden sowohl verschiedene Methoden als auch die Herstellung der benötigten Gase (CO2 und H2) berücksichtigt. Die katalytische und biologische Methanisierung profitieren hauptsächlich vom Upscalingeffekt, im Gegensatz zum Lernkurveneffekt, bei dem das Potential der Kostenreduktion für die biologische Methanisierung deutlich höher ist und der auf lange Sicht beiden Methanisierungsmethoden ein ähnliches Kostenniveau beschert. Viel interessanter ist jedoch der Upscaling- und Lernkurveneffekt der Elektrolyse, die als H2 Quelle bei Methanisierungsanlagen benötigt wird. Hier ist die Kostenreduktion vor allem bei der PEM- und der HT-Elektrolyse signifikant, wobei ersteres langfristig wohl am günstigsten ausfallen wird. Im Gegensatz zum Lernkurveneffekt bei der alkalischen Elektrolyse, bei der nur kurzfristig eine geringe Kostensenkung zu erwarten ist. Die Quelle des benötigten CO2 spielt aus ökonomischer Sicht keine Rolle so lange die CO2 Bepreisung nicht drastisch angehoben wird. Der limitierende Faktor für die Methanisierung ist also nicht das CO2, sondern die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff. Um möglichst viel Energie in den verschiedenen Prozessschritten zu gewinnen, sollte die Abwärme aus dem Power-to-Methan-Prozess unbedingt berücksichtigt werden. Es liegt also viel Potential in klimaneutralen Methanisierungsprozessen, jedoch sind viele Faktoren zu berücksichtigen und die anfänglichen Investitionskosten sind nicht zu unterschätzen.

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„Underground Sun Conversion – Geo-Methanisierung in 1.000 m Tiefe“ von Benedikt Hasibar, RAG Austria AG

RAG Austria AG arbeitet an dem Ziel einer möglichst flexiblen Energieumwandlung und -speicherung, welche angepasst an die Herausforderungen des künftigen Energiesystems sein sollen.

Für eine Transformation des Energiesystems sind saisonale Speicher notwendig und durch eine großvolumige Energiespeicherung kann eine Sektorkopplung ermöglicht werden. Dazu forschte das Unternehmen an den bereits abgeschlossenen Projekten „Underground Sun Storage“ und „Underground Sun Conversion“ und entwickelt die Technologien in weiteren Projekten, wie „Underground Sun Storage 2030“, „Underground Sun Conversion – Flexible Storage“ und „Carbon – Cycle Economy Demonstration“ weiter.

Der Versuchsspeicher des Projektes „Underground Sun Conversion – Flexible Storage“ befindet sich in Pilsbach in Oberösterreich. Die technische Anlage besteht unteranderem aus einem 0,5 MW Elektrolyseur, der 100 Nm3Wasserstoff pro Stunde produziert, einem CO2 Tank und einer Gastrocknung. Nach der Erzeugung des erneuerbaren Wasserstoffs soll dieser mit Kohlendioxid in einem Porenspeicher eingebracht werden. Die Porenspeicher sind überdeckt von hunderten Meter Tongestein, seit Millionen Jahren gasdicht und verfügen über ein Arbeitsgasvolumen von 1,7 Mio. Nm3. Hier findet die nachgewiesene biologische Geo-Methanisierung statt. Die biologische Geo-Methanisierung ist ein Konversionsverfahren zur Erzeugung von Methan mithilfe von Mikroorganismen, sogenannten methanogenen Archaeen, die seit Millionen Jahren in der Lagerstätte aktiv sind.

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„Project Renewable Gasfield“ von Klaus Neumann, Energie Steiermark

Klaus Neumann stellte beim Erfahrungsaustausch Methanisierung das Projekt „Renewable Gasfield“ vor. Energie Steiermark ist unteranderem in Bereichen wie der Umsetzung von Pilotanlagen im industriellen und privaten Maßstab und der Ermöglichung der Netzeinspeisung von grünen Gasen in das bestehende Erdgasnetz tätig.
Das WIVA P&G Projekt „renewable gasfield“ wird von der Energie Steiermark Technik GmbH koordiniert. Die Inbetriebnahme und der Probebetrieb wird mit Ende 2022 erfolgen, wobei ab 2023 ein Regelbetrieb geplant ist. Das Ziel dieses Projektes ist es, Methan und Wasserstoff für Industrie und Mobilität nachhaltig zu produzieren. Dafür wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen (PV Anlage mit 850 kWp) und Wasser (H2O) in einen elektrischen Elektrolyseur mit 1 MW eingebracht. Daraus soll Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (Produktionsmenge 3,7 mio m3/a) im Verhältnis 1:2 entstehen. Mit diesem Wasserstoff (H2) und Rohbiogas Kohlendioxid (CO2) aus der Biogasanlage in Gabersdorf soll dann die Methanisierung (Anlage mit 100 kW) erfolgen. Dabei wird 21.000 m3/a Erdgas Methan (CH4) produziert, welches nachfolgend ins Erdgasnetz eingespeist und zusammen mit Wasserstoff für Industrie/Gewerbe und Mobilität verwendet werden kann.

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„Methanisierung – ein aktueller Einblick in Technologien und Projekte“ von Robert Böhm, Hitachi Zoosen Inova

Hitachi Zosen Inova (HZI) ist eine japanische Firma mit Wurzeln in der Schweiz, deren Hauptgeschäft in den Bereichen Energie-aus-Abfall, sowie erneuerbarem Gas liegt. Dabei werden diese zwei Bereiche oft miteinander verknüpft. So wird eine Energie-aus-Abfall Anlage verwendet, um nachhaltigen Strom zu erzeugen, mit dem eine Elektrolyseanlage betrieben werden kann. Der daraus gewonnene Wasserstoff wird dann wiederum in die Methanisierungsanlage eingespeist, um mithilfe von mikrobieller Methanisierung Methan zu erzeugen. Die Methanisierung findet hierbei durch robuste Mikroorganismen (Archaeen) statt, die als biologischer Katalysator fungieren. Der von HZI entwickelte Reaktor ermöglicht eine sehr dynamische Betriebsweise und ist vollautomatisiert. Im Zuge unseres Erfahrungsaustauschs zum Thema Methanisierung hat uns Robert Böhm einen Einblick hinter die Kulissen von HZI geboten. Dabei wurde uns nicht nur die Betriebsweise der gesamten Anlage und des Katalysators im speziellen erklärt, sondern auch der Werdegang vom ersten Pilotprojekt bis hin zu industriellen Großanlagen. Mittlerweile hat HZI schon einige solcher katalytischen Methanisierungsanlagen aufgestellt, beispielweise eine Anlage für Energie Steiermark in Österreich, die dieses Jahr in Betrieb genommen wird. Diese Anlage weist eine Leistung von 190 kW vor und kann damit bis zu 10 Nm³ Methan pro Stunde herstellen. Die bis dato größte von HZI aufgestellte Anlage befindet sich in Japan und hat eine Leistung von 2,5 MW mit einer Methanproduktion von 125 Nm³/h. Die Anwendungsmöglichkeiten in Österreich für noch weitere solcher Anlagen ist groß und das Bewusstsein für die Notwendigkeit wächst von Tag zu Tag.

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„Biologische Methanisierung – von CO2 und Wasserstoff zu e-Methan“ von Theresa Ahrens, Electrochaea

Electrochaea ist eine internationale Firma, die sich auf Kommerzialisierung von Power-to-Gas Anwendungen spezialisiert hat. Das Herzstück der Firma bildet dabei die Biomethanherstellung mithilfe von methanorganischen Archaea. Diese Archaea sind 3,5 Milliarden Jahre alte Einzeller, die aus CO2 und Wasserstoff, Methan, Wasser und Wärme erzeugen. Der dafür verwendete Wasserstoff wird bei Electrochaea mit einer Elektrolyseanlage gewonnen, die vorzugsweise mit erneuerbarer Energie betrieben wird. Theresa Ahrens hat uns im Zuge ihres Vortrags von der Entdeckung der Archaea (vor 30 Jahren von Carl Woese und Karl Stetter) und deren Funktionsweise erzählt, sowie deren Einsatz in den Reaktoren von Methanisierungsanlage erklärt. Electrochaea setzt seit 2006 erste Versuche mit den Archaeen um und konnte schon 2013 den ersten vorkommerziellen Feldversuch mit einer 50 kW Anlage starten. Seither sind die Reaktoren immer effizienter und die Anlagen immer größer geworden, sodass 2021 mit dem Bau einer 75 MW Anlage begonnen werden konnte. Aber auch jetzt schon sind einige Anlagen in Bereich von 0,25-1 MW in Betrieb und es werden immer mehr. Den Impact, den die Methanisierungsanlagen von Electrochaea auf unsere Energiebilanz haben kann, ist nicht zu unterschätzen. Zur Herstellung von Biomethan werden Ressourcen wiederverwendet und CO2 eingespeist. Außerdem wird durch das Ersetzen von fossilen Gasen durch Biomethan der CO2 Ausstoß noch einmal drastisch gesenkt, wodurch der Prozess von Anfang bis Ende zu einer Reduktion des CO2-Ausstoßes beiträgt.

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„Biologische Methanisierung im FlaeXMethan / creP2G-System“ von Paul Voithofer, Creonia und Marco Orthofer, JKU Linz

Der Projektname „FlaeXMethan“ kommt von „Flexible acide ex-situ Methanisierung von Biogas mit erneuerbarem Wasserstoff“. Das Projektkonsortium setzt sich zusammen aus Creonia Innovations, JKU Linz, Universität Wien und BioG. Das Projektziel ist eine Verbesserung der Effizienz von bestehenden Biogasanlagen und die Dekarbonisierung des Biomassestroms.
Ein Weg dafür ist die Aufbereitung des produzierten Biogases und die Methanisierung des anfallenden Kohlendioxids mit erneuerbarem Wasserstoff. Dieses so produzierte Biomethan kann dann entweder direkt ins Gasnetz eingespeist werden oder durch die Plasma-Methanpyrolyse weiterverarbeitet werden. Bei der Methanpyrolyse wird ohne das Entstehen neuer CO2 Emissionen aus Biomethan Wasserstoff und fester Kohlenstoff erzeugt.
Konzeptioniert werden kleine Methanisierungsanlagen in Containern, die vergleichsweise günstig sind und mit einem geringen bürokratischen Genehmigungsaufwand realisiert werden können.

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