Power-to-Gas: Die Rolle der chemischen Speicherung in einem Energiesystem mit hohen Anteilen an erneuerbarer Energie

Abstract

Die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Quellen (Wind, Photovoltaik) wird in Zukunft verstärkt die Volatilität in der Stromerzeugung erhöhen. Um eine ausgeglichene Leistungsbilanz im Stromnetz sicherzustellen, werden Speicher benötigt -nicht nur kurzzeitig, sondern auch saisonal. Die bidirektionale Kopplung bestehender Energieinfrastruktur mit dem Stromnetz kann hier Abhilfe schaffen, indem der Strom in Elektrolyseanlagen zur Wasserstofferzeugung genutzt wird. Der Wasserstoff kann Erdgas in der vorhandenen Infrastruktur (Gasspeicher, Pipelines) in begrenztem Umfang beigemischt werden oder in einer gaskatalytischen Reaktion, der Methanisierung, mit Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid direkt zu Methan umgesetzt werden. Durch den Rückgriff auf die Erdgasinfrastruktur wird eine Entlastung der Stromnetze erreicht und eine Speicherung der erneuerbaren Energien auch über lange Zeiträume ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser als "Power-to-Gas" bezeichneten Technologie ist, dass das so erzeugte Methan eine Senke für CO 2 -Emissionen darstellt, da damit fossile Quellen substituiert werden und so CO 2 in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.Die Forschung im Bereich der Power-to-Gas-Technologie adressiert derzeit technologische Fortschritte sowohl im Bereich der Elektrolyse als auch für die nachfolgende Methanisierung, insbesondere, um Investitionskosten zu senken. Im Bereich der Methanisierung sind lastflexible Verfahren zu entwickeln, die der fluktuierenden Wasserstoffbereitstellung angepasst sind. Die Wirtschaftlichkeit der Power-to-Gas-Prozesskette kann durch eine synergetische Einbindung in bestehende Industrieprozesse erhöht werden. Beispielsweise bietet ein integriertes Hüttenwerk ein vielversprechendes infrastrukturelles Umfeld, da zum einen kohlenstoffhaltige Prozessgase in großen Mengen anfallen, zum anderen der Sauerstoff als Nebenprodukt aus der Wasserelektrolyse einer direkten Nutzung zugeführt werden kann. Derartige Konzepte lassen einen wirtschaftlichen Einsatz der Power-to-Gas-Technologie in naher Zukunft erwarten.Schlüsselwörter: Power-to-Gas; Methanisierung; erneuerbare Energie; Speicher Power-to-Gas: the significance of chemical storage in an energy system containing high shares of renewable energy. The restructuring of the energy supply towards renewable sources (wind, photovoltaics) will increase the volatility in power generation

Application-based catalytic methanation of steelworks gases under dynamic operating conditions

“…The CH 4 formation rates could be increased when applying high cycling frequencies and a stoichiometric cycle-split ratio, but optimal rates were always achieved with steady state values. Lehner et al (2017) concluded that for synthesising steelworks gases to methane a load flexible reactor setup is favourable to meet the fluctuations in process gas and hydrogen availability. Hauser et al (2021) performed steady state and dynamic methanation experiments with synthetic gases from the steelworks industry using a structured reactor with a heat pipe cooling system.…”

In Situ Catalytic Methanation of Real Steelworks Gases

“…In addition, the significant amount of catalyst poisons present in the already cleaned by-product gases needs to be addressed. Lehner et al [11] added that, for converting steelworks gases to methane, a load flexible reactor setup is favourable to meet the fluctuations in the process gas and hydrogen availability.…”

“…Although the applicability of steelworks gases as feed for the synthesis of methane was addressed and confirmed by multiple authors [7][8][9][10][11], experiments with real gases, including contaminations poisonous to catalysts, have not yet been performed. Consequently, the main aim of this work is to show the degree of degradation when using real BFG and BOFG (including nitrogen) as an input for a methanation unit in a composition, as given in Table 1, as well as to present a working solution to overcome the problem of catalyst deactivation.…”

Testing Field for PEM, Alkaline and Solid Oxide Electrolysis Technology

“…The additional hydrogen is needed for the conversion of a majority of the carbon dioxide which is part of the steel mill exhaust gases. Furthermore, hydrogen is considered to be a key component for other "carbon to chemicals" and "power to gas" applications and could be a competitive energy carrier for the energy transition from fossil to renewable sources .…”