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Honeycomb Reactors for the Energy Transition

An Innovative Process for Methanation of Hydrogen in Power-to-Gas Plants

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 1/2019. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

 

Folienumwickelte Behälter, bunte Drehventile und gläserne Gaswaschflaschen verwoben mit silberglänzenden Rohrleitungendas ist neueste Verfahrenstechnologie in einem Labor am EnglerBunte-Institut (EBI) des KIT, die wie eine wilde Kunstinstallation aussieht. Hier forscht Dominik Schollenberger. Vorsichtig entnimmt er dem komplexen Versuchsaufbau einen kurzen Metallzylinder. Als er ihn ans Licht hält, wird im Inneren ein dichtes Metallgewebe sichtbar, das an Bienenwaben erinnert und in mattem Grau schimmert.

 

„Die Waben bestehen aus abwechselnd geschichteten glatten und gewellten Blechlagen, die mit einem speziellen Katalysator beschichtet sind – ein patentiertes Verfahren, das wir hier am Engler-Bunte-Institut entwickelt haben“, erklärt Schollenberger. An den Händen trägt er Handschuhe zum Schutz der Oberfläche, die Beschichtung sei sehr empfindlich. „Durch die Wabenstruktur vergrößert sich die reaktive Oberfläche mit der Beschichtung. Außerdem hilft die Struktur dabei, die Reaktionswärme optimal abzuführen, um diese dann sinnvoll nutzen zu können.“ In einem entsprechenden Synthesereaktor verbaut helfen die Waben dabei, Wasserstoff und CO 2 in das sehr gut speicherbare und vielseitige Methan umzuwandeln, das auch der Hauptbestandteil des heute üblichen Erdgases ist. „Dass wir die Umwandlung immer besser beherrschen, ist eine gute Nachricht für den Klimaschutz“, sagt Schollenberger. Er gehört zu einem wachsenden Kreis von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die chemische Energieträger wie Wasserstoff und Methan im Zentrum des Energiesystems der Zukunft sehen, das vor allem auf Erneuerbare setzt.

 

Mit dem Voranschreiten der Energiewende verändern sich die Anforderung an die Infrastruktur: Je größer der Anteil von Erneuerbaren Energien im Netz ist, umso wichtiger werden Speicher- und Transportmöglichkeiten für die volatile Stromproduktion aus Solar- und Windstromanlagen. Dabei könnten die sogenannten Power-to-Gas-Technologien (PtG) das fehlende Puzzlestück darstellen: Indem man elektrischen Strom zunächst durch Elektrolyse in Wasserstoff und anschließend mit CO oder CO 2 zu Methan umwandelt, kann die klimafreundlich erzeugte Energie vielseitiger genutzt werden. Beispielsweise in Bereichen, die nicht ohne weiteres elektrifiziert werden können; als Rohstoff in der chemischen Industrie, als Kraftstoff für PKW und LKW bis hin zu Schiffen oder als Brennstoff zur Erzeugung von Wärme. Außerdem kann elektrische Energie über die PtG-Prozessroute effizient gespeichert und transportiert werden. So transportiert das bestehende deutsche Gasnetz eine Energiemenge von rund 1 000 Milliarden kWh/a über bestehende Fern- und Verteilnetze mit insgesamt etwa 500 000 Kilometern Länge.

 

Bereits heute ist PtG Realität: In der Demonstrationsanlage WindGas der Firma Uniper im brandenburgischen Falkenhagen beispielsweise wird Strom aus Windkraftanlagen mittels Wasser-Elektrolyse bereits seit 2013 erfolgreich in Wasserstoff, Sauerstoff und Wärme umgewandelt. Im Mai 2018 ist dort eine Methanisierungsstufe im Demonstrationsmaßstab mit dem neuen Wabenreaktor aus dem KIT in Betrieb gegangen, in der „grüner“ Wasserstoff in Synthetic Natural Gas (SNG), also Synthese-Methan umgewandelt wird. Seit Januar 2019 wird das dort produzierte SNG in das Erdgasnetz des Gasnetzbetreibers Ontras eingespeist. Errichtet wurde der Methanisierungsreaktor mit der KIT-Technologie im Rahmen des EUForschungsprojektes STORE&GO. Auch an zwei weiteren europäischen Standorten wurden in dem Projekt unterschiedliche PtG-Technologien von einem experimentellen Stadium in die praktische Anwendung überführt. Neben dem KIT und Uniper sind bei STORE&GO insgesamt 27 europäische Forschungseinrichtungen und Unternehmen beteiligt. Die Gesamtkoordination erfolgt durch die DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT, welche auch die vergleichende Bewertung der unterschiedlichen Technologien durchführen wird. „Viele PtG-Verfahren sind heute bereits einsatzbereit“, sagt Dr. Siegfried Bajohr, in dessen Forschungsgruppe am EBI der Wabenreaktor entstanden ist. „Wir wollen jetzt über einen Zeitraum von zwei Jahren die Leistungsfähigkeit unserer Technologie im Dauerbetrieb und unter dynamischen Lastwechseln belegen.“

 

Wissenschaftsgeschichtlich betrachtet geht es bei den PtG-Verfahren tatsächlich nicht um gänzlich neue Konzepte. Das grundlegende Prinzip der Methanisierung etwa wurde erstmals 1902 von dem französischen Chemiker Paul Sabatier beschrieben. Dabei werden Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2 ) – beziehungsweise Kohlenstoffmonoxid (CO) – unter Zuhilfenahme von Katalysatoren in Wasser (H2 O) und Methan (CH4) umgewandelt. Industriell genutzt wird das Verfahren bisher allerdings meist nur zur Entfernung schädlicher Kohlenstoffmonoxid-Rückstände bei der Reinigung von Wasserstoff, beispielsweise vor der Ammoniak-Synthese nach dem Haber-BoschVerfahren. Außerdem wird die Methanisierung bis heute großindustriell genutzt, um SNG aus Kohle herzustellen – wobei aber wenig auf die Effizienz des Gesamtprozesses oder die bei der Nutzung von Kohle auftretenden CO2 -Emissionen geachtet wird. In den 1990er Jahren hat der japanische Wissenschaftler Koji Hashimoto dann zum ersten Mal vorgeschlagen, PtG-Verfahren zur klimafreundlichen Produktion von SNG aus regenerativer elektrischer Energie zu nutzen. „Mit dem Wabenreaktor haben wir das Verfahren nun endgültig ins 21. Jahrhundert geholt“, sagt Bajohr. Die Methanisierung mittels Wabenreaktor ermögliche dabei nicht nur eine verfahrenstechnisch einfach zu beherrschende Umwandlung in einer einzigen Reaktionsstufe ohne aufwändige Kreislaufführung oder Produktaufbereitung. Der Wabenreaktor sei vielmehr auch besonders einfach zu bauen und eigne sich aufgrund einer guten Skalierbarkeit und Lastenflexibilität sowohl für kleine, dezentrale Anwendungen als auch für einen Serienbetrieb in Großanlagen. „Nur mit klimafreundlichem SNG gelingt uns eine rasche Energiewende auch im Mobilitäts- und Wärmesektor. Ich sehe im Wabenreaktor so etwas wie den chemischen Transformator im Energienetz der Zukunft“, so Professor Thomas Kolb vom Engler-Bunte-Institut.

 

Eine grundsätzliche Frage wäre bei einem großflächigen Einsatz der Methanisierung allerdings noch zu klären: Woher stammt eigentlich das für die Umwandlung notwendige CO2 ? „Für die Demonstrationsanlage in Falkenhagen nutzen wir Kohlenstoffdioxid, das als Nebenprodukt einer Bioethanolanlage anfällt“, erklärt Dominik Schollenberger. Doch für einen großflächigen Einsatz in Deutschland würde das nicht genügen, weil nach vorsichtigen Hochrechnungen Millionen von Tonnen notwendig wären. „Wir dürfen natürlich nicht den Fehler begehen, hier fossiles CO2 etwa aus der Kohleverstromung reinzuwaschen“, sagt der junge Wissenschaftler. „Ich denke, dass langfristig beispielsweise die Nutzung von CO2 direkt aus der Atmosphäre attraktiv werden könnte, auch wenn der Aufwand dafür bislang noch sehr hoch ist.“

 

Auf absehbare Zeit werden allerdings alle derzeitigen PtG-Technologien an einem offenen Markt nicht mit fossilen Energieträgern konkurrieren können, solange die Folgen des CO2 -Ausstoßes für das Weltklima im Preis nicht berücksichtigt werden. Unabhängig von der verwendeten Technologie sind daher wesentliche politische Weichenstellungen notwendig, um das Nachhaltigkeitspotenzial von PtG wirklich nutzen zu können.

 

Kontakt: dominik schollenbergerUru6∂kit edu

siegfried bajohrRra8∂kit edu

 

Excerpt in English

An Innovative Process for Methanation of Hydrogen in Power-to-Gas Plants

Translation: Heidi Knierim

 

As the energy transition progresses, the demands on the infrastructure change: The greater the share of renewables in the grid, the more important storage and transport options become for the volatile production of electricity from solar and wind power plants. So-called Power-to-Gas technologies (PtG) could be the missing piece of the puzzle. By first converting electricity into hydrogen by electrolysis and then into methane with CO or CO2 , these technologies produce climate-friendly energy that can be used in a more versatile way: In areas that cannot easily be electrified, as raw materials in the chemical industry, as fuel for cars, trucks, and ships, or as fuel for heat generation. In addition, electrical energy can be efficiently stored and transported via the PtG process route. The German gas network transports an energy volume of around 1,000 billion kWh/annum via long-distance and distribution networks with a total length of approximately 500,000 kilometers.

 

PtG is already a reality today: At the Uniper WindGas demonstration plant in Falkenhagen, Brandenburg, for example, electricity from wind power plants has been successfully converted into hydrogen, oxygen, and heat by means of water electrolysis since 2013. In May 2018, the WindGas plant put into operation a demonstration-scale methanation stage with KIT’s new honeycomb reactor to convert ”green“ hydrogen into Synthetic Natural Gas (SNG), i.e., synthetic methane. The methanation reactor with the KIT technology was constructed within the framework of the EU research project STORE&GO, which also transfers different PtG technologies from an experimental stage to practical application at two other European locations. In addition to KIT and Uniper, a total of 27 European research institutions and companies are involved in STORE&GO.

 

Contact: dominik schollenbergerFpl0∂kit edu, siegfried bajohrVra1∂kit edu