Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

MINERVE - Management of Intermittent & Nuclear Electricity by High Efficiency Electrochemical Reactor for the Valorisation of CO2 in flexible Energies

  • Ansprechpartner:

    Pfeifer, Peter

  • Förderung:

    EU/KIC InnoEnergy

  • Partner:

    CEA, Grenoble, Frankreich

    GDF SUEZ (ENGIE), Paris, Frankreich

    Solvay, Brüssel, Belgien

    AGH University of Science and Technology, Krakau, Polen

  • Starttermin:

    2013

  • Endtermin:

    2016

Das Projekt MINERVE beschäftigte sich mit der Frage der CO2-Wertschöpfungskette und der Entwicklung einer neuen Lösung für die Speicherung und Verwertung von Strom aus Erneuerbaren Energien durch "Power to Gas". 

Projektbeschreibung

Der Anteil erneuerbarer und intermittierender Quellen (Windparks, Photovoltaik) am französischen und europäischen Strommix nimmt zu. Sie führt zu einer globalen geographischen und zeitlichen Lücke zwischen Stromproduktion und -nachfrage, die "Power to Gas" und insbesondere "Power to Methane" füllen könnte, indem sie die vorübergehende Überproduktion von kostengünstigem Strom aus erneuerbaren Energien in synthetisches Methan umwandelt und diese in das Erdgasnetz einspeist.

Für Frankreich im Jahr 2030 wird das Volumen des Stromüberschusses, der in einer Power-to-Gas-Kette potenziell verwertbar ist, auf etwa 14 TWh geschätzt, verteilt auf 3150 Stunden. Die durchschnittliche Struktur dieser Elektrizität ist 54% erneuerbar und 46% nuklear. Für Frankreich im Jahr 2050 wird ein Potenzial von 40 TWh an nutzbarem Strom für eine Power-to-Gas-Kette geschätzt, über 3600 Stunden verteilt. Für Deutschland wird die Menge dieses Stroms im Jahr 2030 auf rund 16 TWh, verteilt über 1400 Stunden, geschätzt. Die durchschnittliche Struktur dieses überschüssigen Stroms ist zu 94% erneuerbar und zu 6% thermisch.

Im MINERVE-Projekt wurde ein disruptives elektrochemisches und katalytisches Verfahren entwickelt, das CO2 und Dampf durch Hochtemperatur-Co-Elektrolyse direkt in Synthesegas und anschließend durch kompakte Methanierungsreaktoren in Methan umwandelt.

Im Vergleich zu den verschiedenen Elektrolyse-Technologien, z.B. alkalische Elektrolyse (AEL) oder Polymerelektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEMEL) Technologien, weist das auf Festoxid-basierende System zwei besondere Vorteile auf:

1. Dank der hohen Betriebstemperatur (700-900°C), bei der Wasser durch Dampf ersetzt wird, benötigt die Dissoziation von Dampf  im Vergleich zu flüssigem Wasser weniger Energie;

2. Bei steigenden Temperaturen kann ein Teil der elektrischen Energie, die zur Dissoziation des Wassermoleküls benötigt wird, durch Wärme ersetzt werden. Dadurch wurden höhere elektrische Wirkungsgrade erreicht.

Die am IMVT entwickelte Methanisierungtechnologie nach der Co-Elektrolyse bestand folglich darin, CO / CO2-Gemische aus der Co-Elektrolyse mit Wasserstoff umzuwandeln, um CH4 zu erhalten. Diese katalytische Reaktion ist extrem exotherm, d.h. es wird gleichzeitig mit Methan Wärme erzeugt. Die weiterentwickelte Methanierungstechnologie ermöglichte hohe CO/CO2-Umsätze durch ein optimiertes Wärme- und Temperaturmanagement.

Die Co-Elektrolyse-Tests zeigten einen Wirkungsgrad von 93% (bei einem theoretischen Wirkungsgrad von 99%). Insgesamt wurde unter Berücksichtigung der Dampferzeugung aus der Methanisierung als Einspeisung für die Co-Elektrolyse die Gesamteffizienz des Prozesses auf 83% Gesamtwirkungsgrad berechnet.

Aus ökonomischer Sicht zeigten die Ergebnisse, dass der Betrieb eines 20 MWe Power-to-Gas Kraftwerks mit Kopplung von Wasserstoff- und synthetischer Methanproduktion (Konversionsrate von 50%) bereits bei 4.000 Betriebsstunden pro Jahr zu recht interessanten Produktionskosten für erneuerbares Methan führen kann. Die erzielten Produktionskosten für Methan waren im Vergleich zu den derzeitigen Einspeisevergütungen für Biomethan in Europa durchaus wettbewerbsfähig.

 

Methanisierungsreaktor für CO/CO2-Gasgemische

 

Publikationen:

On the temperature control in a microstructured packed bed reactor for methanation of CO/CO2 mixtures .

Belimov, M.; Metzger, D.; Pfeifer, P.

2017. AIChE journal, 63 (1), 120–129. doi:10.1002/aic.15461

 

Micro and micro-membrane reactors for advanced applicationb in energy conversion .

Dittmeyer, R.; Böltken, T.; Piermartini, P.; Selinsek, M.; Loewert, M.; Dallmann, F.; Kreuder, H.; Cholewa, M.; Wunsch, A.; Farsi, S.; Belimov, M.; Pfeifer, P.

2017. Current opinion in chemical engineering, 17, 108-125. doi:10.1016/j.coche.2017.08.001