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Teilprojekt 5

Das Projekt "Teilprojekt 5" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Outotec GmbH & Co. KG durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Konzepts zur Speicherung der bei Wind und Photovoltaik volatil anfallenden elektrischen Energie durch Fixierung von CO2 in Form von CH4. Zur Erzeugung des CH4 aus Strom wird durch Druckelektrolyse H2 gewonnen: CO2 + 4H2 - größer als oder gleich CH4 + 2H2O. Anschließend wird der Wasserstoff zu Methan umgesetzt. Das Methan muss vor der Einspeisung ins Erdgasnetz konditioniert werden. 2. Arbeitsplanung: Es soll eine Studie zur Entwicklung eines Anlagenkonzepts für die Methanisierung in der Gasphase durchgeführt werden. Diese beinhaltet Prozessrechnung, Anlagenauslegung, eine Abschätzung der Investitionskosten sowie Laborversuche. Das entwickelte Anlagenkonzept soll mit dem Konzept der Flüssig-Methanisierung verglichen und ein optimales Reaktorkonzept für den Gesamtprozess evaluiert werden.

Teilprojekt 4

Das Projekt "Teilprojekt 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von IoLiTec - Ionic Liquid Technologies GmbH durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Das Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines kurzfristig umsetzbaren Konzepts zur chemischen Speicherung der bei Wind und Photovoltaik volatil anfallenden elektrischen Energie durch Fixierung von CO2. Als geeigneter chemischer Energieträger mit hoher Energiedichte bietet sich dabei Methan in Form von SNG (Substitute Natural Gas) an, welches in das in Deutschland sehr gut ausgebaute Erdgasnetz eingespeist und verteilt werden kann. SNG als Energieträger weist dabei vielfältige Vorteile auf. Es bestehen bereits enorme Speicherkapazitäten (siehe Kap. 1.2) mit positiven Perspektiven für den weiteren Ausbau, und über das ubiquitäre Erdgastransportnetz können große Mengen chemisch gespeicherter Energie problemlos innerhalb Europas transportiert und verteilt werden. Weiterhin ist Methan einer der vielseitigsten und umweltfreundlichsten Brennstoffe. Neben den etablierten Anwendungsfällen im Haushalt kann Methan/SNG bzw. Erdgas und a. als Kraftstoff für Erdgasfahrzeuge, zum Betrieb von Brennstoffzellen, zur zentralen Stromerzeugung in Gas-und-Dampf-Kraftwerken und zur dezentralen Verbrennung in Blockheizkraftwerken (BHKW) und Mini-BHKW verwendet werden. Technisches Arbeitsziel von IOLITEC ist die Synthese neuer ionischer Flüssigkeiten, die als interne Wärmeträgermedien den Wärmehaushalt der Reaktion optimal steuern können. 2. Arbeitsplanung: Im Rahmen des Projektes werden gängige Methoden zur wissenschaftlichen Synthese von neuen Verbindungen angewendet. Bei der Analyse werden z.B. IR- und NMR-Spektroskopie eingesetzt.

Teilprojekt 7

Das Projekt "Teilprojekt 7" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von EnBW Energie Baden-Württemberg AG durchgeführt. Drei Forschungseinrichtungen und vier Industriepartner haben sich mit dem Ziel zusammengeschlossen ein Konzept zur Speicherung volatiler erneuerbarer elektrischer Energie durch Fixierung von CO2 in Form von CH4 zu entwickeln. Zur Erzeugung des Methan aus Strom wird durch Elektrolyse H2 gewonnen. Anschließend wird der Wasserstoff zu Methan umgewandelt, um so bestehende Erdgasinfrastrukturen zu nutzten. Das Methan muss vor der Einspeisung ins Erdgasnetz konditioniert werden. Dazu werden alternative Stoffe ermittelt um die derzeit übliche Konditionierung durch fossiles Flüssiggas zu ersetzten. Ergebnis der Arbeiten bei EnBW sind Strommengen und das wirtschaftliche Potential des Konzepts basierend auf heutigen Marktbedingungen und Szenarien für zukünftige Entwicklungen bis zum Jahr 2030. Historische Börsendaten sind Ausgangspunkt zur Methodenentwicklung um fluktuierend eingespeiste Strommengen und Preise zeitlich aufgelöst auszuweisen. Basierend hierauf werden Zukunftsszenarien bis 2030 analysiert. Diese berücksichtigen die Entwicklung der Erzeugung in Deutschland und hierbei vor Allem den Ausbau der volatil einspeisenden Erneuerbaren Energien. Des Weiteren wird das Erdgasnetz der EnBW GAS hinsichtlich des Speicherpotenzials untersucht. Abschließend wird mit den Arbeitsergebnissen aller Partnern das wirtschaftliche Potenzial des angestrebten Speicherkonzepts abgeschätzt und potenzielle Standorte im EnBW GAS Netzgebiet identifiziert.

Teilprojekt 2

Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Das Verbundprojekt soll über 3 Jahre laufen (7 Partner: 3 x Forschung, 4 x Industrie). Ziel ist die Entwicklung eines Konzepts zur Speicherung der bei Wind und Photovoltaik volatil anfallenden elektrischen Energie durch Fixierung von CO2 in Form von CH4. Zur Erzeugung des CH4 aus Strom wird durch Druckelektrolyse H2 gewonnen. Der Druckelektrolyseur muss auf das Erzeugersystem auf Basis erneuerbarer Energiequellen angepasst werden. Der Elektrolyseur muss dem fluktuierenden Leistungseintrag ohne Verzögerung folgen und mit hohem Wirkungsgrad Wasserstoff erzeugen können. Anschließend wird der entstehende Wasserstoff mit CO2 zu CH4 umgesetzt. Aufgabe des Fraunhofer ISE ist die Entwicklung einer Betriebsführung für den Elektrolyseur, sowie die Anpassung der Hardware an die Erfordernisse der intermittierenden Zuführung elektrischer Energie. Ferner soll das Fraunhofer ISE die Dynamik des Gesamtsystems untersuchen und ökonomische Aspekte betrachten. 2. Arbeitsplanung: Am Fraunhofer ISE werden folgende Arbeiten durchgeführt: Aufbau einer Testfeldumgebung zur Analyse der intermittierenden Betriebsweise eines Druckelektrolyseurs; Untersuchung der Dynamik der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems Elektrolyse und Wasserstoffspeicherung; Optimierung der Betriebsführung und Ableitung von Maßnahmen zur Optimierung der Hardware, Langzeitcharakterisierung von Elektrolysestacks, Systembetrachtung zur Dynamik des Gesamtsystems inkl. Methanisierung und Evaluation ökologischer und sozialer Aspekte.

Entwicklung langzeitstabiler HT-PEM MEA´s und Stacks zur Realisierung eines modularen BHKW (CISTEM)

Das Projekt "Entwicklung langzeitstabiler HT-PEM MEA´s und Stacks zur Realisierung eines modularen BHKW (CISTEM)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von NEXT ENERGY, EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e.V. durchgeführt. Projektbeschreibung: Eine solide Bereitstellung von Strom und Wärme im Haushaltsbereich ist eines der Hauptanliegen der Energieversorgung auf europäischer Ebene. Der zunehmende Anteil elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie führt dazu, dass sich Energie-Angebot und -Nachfrage zum Teil nicht decken. Da der Marktanteil an Raumwärme und häuslicher elektrischer Energie an der gesamten Energieversorgung sehr bedeutsam ist, könnte mit einer neuen Technologie, die Energie sowohl effizient erzeugen als auch speichern kann, die Stabilität des europäischen Energienetzes erheblich verbessert werden. Die zentrale Idee des Projektes CISTEM ist, die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellentechnologie für Blockheizkraftwerke (BHKW) nutzbar zu machen. Dies erfordert die Entwicklung einer neuen Brennstoffzellentechnologie für die speziellen Anforderungen des BHKW in Bezug auf Effizienz, Kosten und Lebensdauer. Gleichzeitig können bei der Entwicklung des BHKW-Systems die speziellen Vor- und Nachteile der Brennstoffzellentechnologie so berücksichtigt werden, dass ein optimales Systemdesign entsteht. Das Brennstoffzellen-BHKW soll Wärme und Strom für größere Gebäude bzw. kleine Siedlungen erzeugen. Projektziele: Innerhalb von CISTEM wird die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellentechnologie (HT-PEM) für die Anwendung in BHKW weiterentwickelt. Dazu soll ein BHKW-System mit einer Leistung von bis zu 100 kWel entworfen werden, das modular aus Brennstoffzelleneinheiten mit je 5 kWel besteht. Parallel dazu wird die HT-PEM Technologie weiterentwickelt, um die Lebensdauer- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Der modulare Aufbau mit flexibler Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten ermöglicht eine optimale Anpassung des BHKW-Systems an den Wärme- und Strombedarf von Gebäuden bzw. Siedlungen in unterschiedlichen Größenordnungen. Das BHKW-System wird zudem so ausgelegt, dass es sowohl mit Wasserstoff als auch mit Erdgas betrieben werden kann. Überschüssige elektrische Energie aus Windkraft, die nicht in das Netz eingespeist werden kann, könnte beispielsweise für die Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden, um beide zunächst zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt im KWK-System bedarfsgerecht zu nutzen. Damit ließe sich durch das Brennstoffzellen-BHKW eine Speicherwirkung elektrischer Energie erzielen. Das HT-PEM-System soll eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads der Membrane Electrode Assembly (MEA) von mehr als 20 % im Vergleich zu aktuell erhältlichen HT-PEM-Systemen erreichen. Der elektrische Gesamt-Wirkungsgrad soll bei mindestens 45 % liegen. In Kombination mit der Wärmenutzung wird damit ein elektrisch-thermischer Gesamtwirkungsgrad von mehr als 95 % erreicht.

Teilprojekt 3

Das Projekt "Teilprojekt 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engler-Bunte-Institut, Bereich Gas, Erdöl und Kohle durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Ziel des Verbundprojektes (mit 7 Partnern: 3 x Forschung, 4 x Industrie) ist die Entwicklung eines Konzeptes zur Speicherung der bei Wind und Photovoltaik volatil anfallenden elektrischen Energie durch Fixierung von CO2 in Form von Methan und Brennwert-erhöhenden Gaskomponenten. Aufgabe des EBI ist die Ermittlung und experimentelle Untersuchung von Strategien für die Synthese von Brennwert-erhöhenden Gaskomponenten aus H2/CO2-Mischungen. Für ausgewählte Katalysatoren/-Kombinationen sollen die Reaktionsbedingungen für maximale Ausbeuten von C2 bis C4-Alkanen ermittelt werden, sowie gegebenenfalls von anderen Komponenten, die auch für die stoffliche Nutzung geeignet erscheinen. CO2 aus Kraftwerksabgasen, Vergasungsgasen und anderen Quellen soll als Kohlenstoffquelle bewertet werden. Im Hinblick auf die Dynamik des Gesamtsystems soll das dynamische Verhalten von Synthesereaktoren/Syntheseverfahren rechnerisch untersucht werden. 2. Arbeitsplanung: Nach Festlegung von Zielkomponenten und Synthesewegen wird eine Festbett-Syntheseapparatur mit integrierter Analytik gebaut. Mit dieser Apparatur werden umfangreiche Syntheseversuche mit verschiedenen Katalysatoren und variablen Reaktionsbedingungen durchgeführt (Variation Gesamtdruck, Synthesegaszusammensetzung, Verweilzeiten, Temperatur, Katalysator). Mit rechnerischen Simulationen werden verschiedene Fälle betrachtet, die im Hinblick auf das Gesamtsystem von Bedeutung sind. CO2 wird als Kohlenstoffquelle mit fossilen Rohstoffen verglichen.

Teilprojekt 7

Das Projekt "Teilprojekt 7" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Clariant Produkte (Deutschland) GmbH durchgeführt. Im Fokus dieses Projekts steht der Einsatz von CO2 als Energiespeichersubstanz. Durch die Umsetzung zu Methan können signifikante Mengen CO2 der Emission entzogen und das erhaltene Produkt 'synthetisches Erdgas' in die vorhandene Infrastruktur zur Energiespeicherung, -verteilung und -nutzung eingespeist werden. Zur Umsetzung soll bevorzugt regenerativ erzeugter Wasserstoff zum Einsatz kommen, wodurch gegenwärtig ungenutzte Leistungsspitzen (Wind) und Abweichungen zwischen Produktions- und Verbrauchszeiten (Photovoltaik und konventionelle Kraftwerke) ausgeglichen werden. Es erfolgt die Entwicklung effizienter, adsorptiver und absorptiver Technologien zur CO2-Abtrennung für energieintensive Industriezweige über chemisch funktionalisierte, feste Absorbentien sowie über Dispersionen geeigneter Polymere in Lösung. Weiterhin sind Entwicklungen geeigneter Katalysatoren und Reaktorkonzepte zur effizienten Umsetzung von Kohlendioxid aus verschiedenen, realen Quellen mit Wasserstoff zu Methan sowie neuer Membranen einschließlich deren Materialien, Herstellung und Verarbeitung zur Abtrennung von CO2 vorgesehen. Darüber hinaus erfolgt die Erarbeitung skalierbarer Konzepte auf Basis molekularer und heterogener Katalysatoren zur photokatalytischen, wasserbasierten Umsetzung von CO2 zu Energieträgern und Basischemikalien.

Teilvorhaben RWE: CO2-Wäsche-Optimierung und Demonstration der CCU-Kette

Das Projekt "Teilvorhaben RWE: CO2-Wäsche-Optimierung und Demonstration der CCU-Kette" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWE Power AG durchgeführt. Das Projekt ALIGN-CCUS-Projekt vereint 30 Forschungsinstitute und Industrieunternehmen aus fünf Ländern mit dem gemeinsamen Ziel, den schnellen und kosteneffektiven Einsatz von CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung zu unterstützen. Als FuE-Verbundvorhaben mit starker Industriebeteiligung werden alle Bausteine der CCUS-Prozesskette (CCUS: Carbon Capture Usage and Storage) untersucht und in einem ganzheitlichen Ansatz über die Grenzen der Subprozesse hinweg optimiert. Dies umfasst insbesondere auch Fragen zur weiteren Optimierung der CO2-Abtrennung in Anlagentests, öffentlichen Akzeptanz, Kommunikation über CCUS, Lebenszyklusanalysen und die Untersuchung von Umsetzungsoptionen von CCUS in Regionen der beteiligten Mitgliedsstaaten. Für Deutschland wurde hierfür Nordrhein-Westfalen als möglicher Ort für die Umsetzung von CCU ausgewählt. Die CO2-Emisionen lassen sich nur dann deutlich, nachhaltig und gesellschaftlich akzeptabel senken, wenn alle Sektoren - Energie, Industrie und Transport - dazu beitragen. CCU kann dabei einen Sektor-übergreifenden Nutzen entfalten, der über Klimaschutz hinausgeht. Kohlenstoff kann mehrfach genutzt und fossile Energieträger und Rohstoffe substituiert werden. Chemische Langzeitspeicherung bei einem hohen Angebot von Strom aus fluktuierender regenerativer Erzeugung und Spitzenlast- bzw. Backup-Stromerzeugung aus CCU-Kraftstoffen mit hoher Energiedichte stabilisieren bei Engpässen die Stromnetze. CCU-Kraftstoffe sind darüber hinaus als Plattformchemikalien in verschiedenen Wirtschaftszweigen vielfältig anwendbar, insbesondere Methanol, Dimethylether (DME) und Oxymethylenether (OME3-5). Durch die chemischen Eigenschaften von DME / OME3-5 kann insbesondere der NOx / Ruß-Zielkonflikt innermotorischer Verbrennung gelöst werden, woraus sich ein hohes Emissions-Reduktionspotential im Transportsektor ergibt. CCU und Sektorkopplung eröffnen zudem eine Chance, den Transformationsprozess der Strom- und Rohstoffversorgung und des Transportsektors von 'fossil' auf 'erneuerbar' unter Nutzung existierender Infrastruktur gleitend zu gestalten, die Finanzierbarkeit sicherzustellen und Strukturbrüche mit Risiken für die Versorgungssicherheit zu vermeiden. Als Teilprojekt von ALIGN-CCUS wird eine CCU-Demonstrationsanlage gebaut und die Nutzung des CCU-Produktes Dimethylether (DME) als emissionsarmer Treibstoff für die Stromerzeugung und als Rohstoff für den Transportsektor realisiert.

Additive Herstellung von Protonen und Sauerstoff ko-ionische Leiter für CO2/H2O Ko-Elektrolyse und Umwandlung zu Methanol und andere Chemikalien

Das Projekt "Additive Herstellung von Protonen und Sauerstoff ko-ionische Leiter für CO2/H2O Ko-Elektrolyse und Umwandlung zu Methanol und andere Chemikalien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von WZR ceramic solutions GmbH durchgeführt. Eine vielversprechende Technologie, die regenerativ gewonnene Überschussenergie zu speichern und zu nutzen, ist deren effiziente Umwandlung mittels Ko-Elektrolyse von atmosphärischem oder industriellem CO2 und H2O in Kraftstoffe. Chemische Energiespeicherung kann mittels Transformation von elektrischer Energie in stoffliche Energieträger erfolgen. Sobald die Energie durch Umwandlung von Stoffen in einer Chemikalie gespeichert ist, sind verschiedene Möglichkeiten der Nutzung möglich, z.B. die Wiederverstromung, die Nutzung für Heizsysteme oder der Einsatz für mobile Anwendungen. Speziell die Herstellung von Chemikalien wie Methanol, Ethanol, Methan und Synthesegas, um nur einige Beispiele zu nennen, bietet eine Vielzahl von neuen Einsatzgebieten. Die Herstellung mittels Ko-Elektrolyse ist dabei eine sehr effiziente und vielversprechende Methode. Anstrengungen in der Forschung und Entwicklung sollten auf die Erhöhung der Prozesseffizienz gerichtet sein. Ziel des bei WZR geplanten Teilprojektes ist die Herstellung von Membranen mittels Additiver Fertigung. Auf diesem Wege soll eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten erreicht werden, da Montageprozesse entfallen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen mehrere Materialien verarbeitet und die Porosität des Gefüges variiert werden: Der grundlegende Aufbau besteht aus einem porösen Anodensubstrat, einem gasdichten Elektrolyt und einer porösen Kathodenschicht. Um dieses Ziel zu erreichen, werden parallel zwei Additive Verfahren betrachtet: Pulver-3D-Druck mit Partikel gefüllten Tinten und 3D-Extrusion. Da aber am Ende des Projektes eine industrielle Fertigung möglich sein soll, müssen neben verfahrenstechnischen Fragen auch wirtschaftliche Aspekte betrachtet werden. Da diese zum heutigen Zeitpunkt nicht zu bewerten sind, sollen zunächst beide aussichtsreichen Verfahren entwickelt und bewertet werden. Zum Projektende erfolgt die Festlegung auf ein Verfahren, das in die industrielle Umsetzung gelangen soll.

Teilvorhaben U0

Das Projekt "Teilvorhaben U0" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Ziel des Projekts 'P2X' im Kopernikus-Programms , das die Energiewende vorantreiben soll, ist die effiziente Speicherung und Nutzung von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen durch Umwandlung in industriell relevante Stoffe und chemische Energieträger. Dafür bedarf es innovativer Lösungen, die im Projekt zu ökologisch und ökonomisch vorteilhaften, sowie gesellschaftlich akzeptierten Prozessen entwickelt werden sollen. Mit ihren hohen Wirkungsgraden stellt die Hochtemperatur-Elektrolyse ein potentielles Glied dieser Umwandlungskette dar. Das DFI ist am Forschungscluster FC-A3 beteiligt, in dem Wasser und Kohlendioxid mittels Hochtemperatur Elektrolyse (SOEC) unter Einsatz von elektrischem Strom zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) umgesetzt werden, das als Ausgangsmischung für eine Vielzahl von Chemikalien wie u.a. Methanol, Methan aber auch von künstlichem Benzin und Diesel dient. Das Funktionsprinzip der Elektrolysezelle ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Hauptaufgabe des DFI besteht darin, verkokungsresistente Ni-basierte Katalysatoren für die SOEC-Kathode zu entwickeln und deren katalytische bzw. elektrochemische Aktivität bei 850°C und unterschiedlichen H2O:CO2 Molverhältnissen zu evaluieren. Dabei wird u.a. die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS) zur Aktivierung des CO2 untersucht, insbesondere im Rußgebiet, bei dem die Boudouard-Reaktion bzw. die Zersetzung von CO zu C und CO2 bevorzugt einsetzt.

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