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OST und EPFL erhöhen Effizienz für Produktion erneuerbarer Energieträger auf 70%

Wie alle grossen Veränderungen ist auch die Energiewende im Detail kompliziert. Ein Beispiel: Erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie produzieren heute schon bedeutend billigere Energie als Atomkraftwerke. Speichern lässt sich diese Energie bisher aber nur sehr teuer.

Deshalb arbeiten Forscherteams weltweit an Konzepten, erneuerbare Energie möglichst effizient und gĂŒnstig zu speichern. Zwei Forscherteams an der OST – Ostschweizer Fachhochschule und der EPFL in Sion haben es in Zusammenarbeit nun geschafft, den Wirkungsgrad fĂŒr einen zentralen Prozess bei der Speicherung von erneuerbarer Energie in Form von synthetischen Brennstoffen von den bisher ĂŒblichen 50% auf nahezu 70% zu steigern. Eine wirtschaftlich gĂŒnstige, langfristige Speicherung von erneuerbarer Energie rĂŒckt damit in greifbare NĂ€he. Besonders die mögliche Speicherung der Energie als synthetisches Erdgas hat im Kontext der aktuellen Energiekrise an Bedeutung gewonnen.

Eine rein elektrische Energiezukunft ist unwahrscheinlich. WĂ€hrend sich Autos oder GebĂ€udeheizungen gut von fossilen Brennstoffen auf Strombettrieb umstellen lassen, sind andere Bereiche auf Brennstoffe angewiesen. Industrielle Prozesse wie die Betonproduktion, der Flug- und Schwerlastverkehr oder die Schifffahrt brauchen die im Vergleich zu Akkus deutlich höhere Energiedichte. Also die Möglichkeit, möglichst viel Energie aus möglichst wenig mitgefĂŒhrter EnergietrĂ€germasse zu beziehen. (siehe Hinweis ganz unten)

Vor dem Hintergrund des globalen Ziels, den CO2-Ausstoss auf Null zu bringen, ist die bisher einzige Lösung fĂŒr dieses Problem die Speicherung von erneuerbarer Energie in Form von synthetischen Treibstoffen. Denn bei der Produktion von beispielsweise Diesel aus erneuerbarem Strom, wird der AtomsphĂ€re genauso viel CO2 entzogen, wie bei der Verbrennung wieder frei wird.

Ziel erreicht: Hoher Wirkungsgrad fĂŒr industrielle Produktion

Der Ausgangsstoff fĂŒr alle synthetisch hergestellten chemischen EnergietrĂ€ger (sogenannte e-Fuels) ist Wasserstoff. Damit dieser nachhaltig hergestellt werden kann, wird mit regenerativem Strom zumeist Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Wird der Wasserstoff anschliessend mit CO2, beispielsweise aus Kehrichtverbrennungsanlagen, zusammengebracht, lassen sich verschiedene Kohlenwasserstoffe synthetisieren. Zum Beispiel das gasförmige Methan oder das flĂŒssige Methanol. Methan kann gleich wie Erdgas genutzt werden, Methanol hingegen ist der Grundstoff fĂŒr praktisch alle flĂŒssigen Kohlenwasserstoffe: von Benzin oder Diesel ĂŒber Kerosin bis hin zu Grundstoffen fĂŒr die chemische Industrie.

Ein Forscherteam des IET Institut fĂŒr Energietechnik der OST hat seit 2017 zusammen mit weiteren Partnern, insbesondere der EPFL, an der Hochtemperatur-Elektrolyse gearbeitet, um die Umwandlung von Strom in Methan effizienter zu machen. Das angepeilte Ziel war, den Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von aktuell 50% auf 70% bei einer Anlage im industriellen Massstab zu erhöhen. „Das bedeutet, dass 70 Prozent des investierten Stroms im Methan gespeichert werden können“, erklĂ€rt Projektleiter Luca Schmidlin vom IET.

Gemessen wurde diese signifikante Steigerung in der Power-to-X-Forschungsanlage des IET in Rapperswil-Jona. Der Prototyp der Hochtemperatur-Elektrolyse, geliefert durch die EPFL and basierend auf Technologie von SolydEra, wurde hier im Demonstrationsmassstab (rund 15 kW) mit einer in der Industrie ĂŒblichen PEM-Elektrolyse verglichen, beide in Kombination mit der einer katalytischen Methanisierung. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Elektrolysetechnologien ist, dass die Hochtemperatur-Elektrolyse stark erhitzten Wasserdampf als Ausgangsstoff nutzt, wĂ€hrend die PEM-Elektrolyse flĂŒssiges Wasser verwendet.

Energie speichern wirtschaftlich machen

Kern der neuartigen Demonstrationsanlage ist, dass die fĂŒr die Dampfherstellung benötigte Energie von der nachgeschalteten Methansynthese anfallenden ReaktionswĂ€rme stammt. Dabei wird die anfallende WĂ€rme sinnvoll genutzt anstatt sie als Verlust entweichen zu lassen. Bei Versuchen im Teillastbereich liessen sich so rund 3/4 der benötigten Dampfmenge herstellen, welche fĂŒr die sehr effiziente Hochtemperaturelektrolyse benötigt wurde. Zusatzversuche zur optimierten WĂ€rmeintegration an der EPFL zeigen, dass das Erzeugen von 100% des benötigten Dampfes dank der WĂ€rme der Methansynthese möglich ist. Der Betrieb konnte ohne Probleme ĂŒber mehrere Stunden aufrechterhalten werden. Erste Vergleiche zwischen den beiden Betriebsarten zeigen, dass dank der neuen Technologie der Betrieb um satte 25 Prozentpunkte effizienter war. Dabei wurden die AufwĂ€nde fĂŒr die Kompensation der thermischen Verluste sowie der Betrieb von Hilfsaggregaten wie zum Beispiel fĂŒr die KĂŒhlung und die Druckluftherstellung nicht berĂŒcksichtigt.

Dem angepeilten Ziel, den Gesamtwirkungsgrad der Power-to-Gas-Umwandlung (Stromspeicherung in Form von Methan) von aktuell 50% auf 70% zu erhöhen, steht das Projektteam demnach sehr nahe. Die Versuche werden in der ersten JahreshĂ€lfte 2023 mit einer frisch revidierten Anlage wiederholt, um die Versuchsdaten der ersten beiden Testreihen zu bestĂ€tigen. Gelingt es, die Ergebnisse zu bestĂ€tigen ist ein wichtiger Schritt fĂŒr die Speicherung von erneuerbarer Energie geschafft: „Dank der AusfĂŒhrung unserer Forschungsplattform als industrienahe Demonstrationsanlage lassen sich die Ergebnisse 1:1 auf industrielle Grossanlagen ĂŒbertragen“, erklĂ€rt Schmidlin.

Die Steigerung des Wirkungsgrads bei der Umwandlung von erneuerbarem Strom in erneuerbare EnergietrĂ€ger ist ein wirtschaftlich sehr relevanter Faktor, wenn es darum geht, ÜberschĂŒsse aus erneuerbarer Energie im Sommer fĂŒr die Verwendung im Winter zu speichern. Mit dem Erfolg der IET und EPFL Teams, den Wirkungsgrad fĂŒr die Produktion von klimaneutralem, synthetischen Methan zu steigern, wird es möglich, beispielsweise synthetisches Erdgas im industriellen Massstab zu produzieren. Erdgas besteht zu einem ĂŒberwiegenden Teil aus Methan.

Hinweis:

Herausforderungen Energiedichte und Akkuproduktion

In einem Kilogramm Diesel steckt in etwa 40-50 so viel Energie wie in einem Kilogramm eines modernen Lithium-Ionen-Akkus. Ein Elektro-Lkw mĂŒsste also zum Beispiel statt eines 100 Kilogramm fassenden Dieseltanks einen 4‘000 bis 5‘000 Kilogramm schweren Akku mittransportieren, um die gleiche Energiemenge mitzufĂŒhren. Dieses VerhĂ€ltnis lĂ€sst sich auch trotz des im Vergleich zum Verbrenner effizienteren Elektroantriebs nur mit Einbussen bei der Reichweite oder bei der möglichen TransportkapazitĂ€t kompensieren – was wiederum die Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit reduziert und damit zu höheren Kosten fĂŒhrt.

Zudem lassen sich elektrische EnergieĂŒberschĂŒsse aus erneuerbaren Quellen im Sommer ĂŒber lĂ€ngere ZeitrĂ€ume gĂŒnstiger und flexibler nutzbar in Form von synthetischen Brennstoffen als in Akkus speichern. Brennstoffe verlieren bei der Lagerung und beim Transport ĂŒber weite Strecken anders als elektrischer Strom keine Energie und lassen sich je nach Brennstoff-Art wieder in (Gas)kraftwerken verstromen, in Fahrzeuge tanken oder durchs Gasnetz schweizweit verteilen.

Und zu guter Letzt lassen sich synthetische Brennstoffe ohne Umbau-Investitionen in derbestehenden Infrastruktur (z.B. im Gasnetz, in Fahrzeugen oder in Industrieprozessen) verwenden, ohne seltene und teure Ressourcen fĂŒr die Produktion von industriellen Akku-Anlagen oder transportablen Akkus zu benötigen.

 

Medienmitteilung vom 21. Januar 2023

 

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