Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften
> Zum Inhalt

OptFuel - Optimierung der Energieträgergewinnung aus Biomasse unter Einbindung von Überschussstrom

Research Studios Austria

Ausgangslage

Mit einem steigenden Anteil regenerativer Energieproduktion wie Photovoltaik und Wind nimmt das Ausmaß fluktuierender Stromproduktion im internationalen Stromnetz deutlich zu. In Kombination mit dem ebenfalls fluktuierenden Energieverbrauch ergibt sich eine hohe Volatilität hinsichtlich der Kapazitäten und der Preise für elektrischen Strom. Vor allem saisonale Schwankungen in der Energieproduktion bringen die Stromnetze bereits heute an ihre Kapazitätsgrenzen. Stabile Preise und optimale Nutzung bestehender Netzkapazitäten können nur durch eine Glättung der Auslastung beispielsweise durch temporäre Speicherung von Strom bewerkstelligt werden. Technische Stromspeicher weisen heute entweder zu geringe Speicherkapazitäten (Batterien, Kondensatoren), fehlende Praktikabilität (Schwungräder, Druckluftspeicher) oder begrenzte Standortauswahl (Pumpspeicher) auf, oft auch in Kombination mit hohen Kosten. Das Konzept Power-to-Gas (P2G) bietet in diesem Zusammenhang ein sehr großes Potential. Hier wird mittels Elektrolyse aus dem zu speichernden Strom Wasserstoff produziert, welcher mit einer Kohlenstoffquelle (meistens Kohlendioxid aus Kraftwerken, Industrieprozessen oder biogenen Prozessen) auf chemischem oder biologischem Weg zu Methan umgesetzt wird. Entsprechend aufbereitet kann dieses Methangas ins öffentliche Erdgasnetz eingespeist werden. Auch die direkte Einspeisung von Wasserstoff in Erdgasnetze bis zu einem gewissen Anteil wird heute untersucht. Schätzungen zeigen, dass im Erdgasnetz etwa das Achtfache der notwendigen Kapazität vorhanden ist um die genannten saisonalen Schwankungen selbst bei einem Anteil erneuerbarer Stromproduktion von 80% zu decken. Damit ist das Erdgasnetz ein äußerst potenter Stromspeicher, da Erdgas heute mit hohen Wirkungsgraden rückverstromt werden kann. Gesamtwirkungsgrade für die Kette Strom-Gas-Strom werden mit etwa 40 bis 50% angegeben. Interessante Synergieeffekte ergeben sich im Konzept, wenn nicht nur gasförmige, sondern auch flüssige Energieträger in Betracht gezogen werden (z. B. Ethanol oder Butanol). Es ergibt sich dann ein komplexes Gesamtkonzept mit einer großen Zahl an Freiheitsgraden, wodurch eine umfangreiche Optimierung und Anpassbarkeit an lokale Rahmenbedingungen möglich werden.

Zielsetzung

Übergeordnetes Ziel des RSA-Projekts „OptFuel“ ist die Entwicklung eines optimierten Gesamtprozesses zur Herstellung von Methan und flüssigen Produkten (Alkohole und organische Säuren) aus biogenen Reststoffen unter Verwertung von Überschussstrom aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen. Ziel ist eine Umwandlung von Kohlendioxid in verwertbare Energieträger wie Methan, Ethanol oder Butanol um eine Maximierung der Ressourceneffizienz zu erreichen. Am Ende der Projektlaufzeit wird der optimierte Gesamtprozess in einer kontinuierlich betreibbaren Technikumsanlage abgebildet. Dieser Prozess stellt dann die Grundlage für eine erste industrielle Demonstrationsanlage dar.

Methodik

Folgende wesentliche Arbeitsschritte wurden für dieses Projekt festgelegt:

  • Überblick über den Forschungs- und Entwicklungsstatus der einzelnen Verfahrensschritte und Mengenpotentiale an Reststoffbiomasse in Österreich
  • Ermittlung kombinierter verfahrenstechnischer Rahmenbedingungen der Einzelprozesse im Projekt
  • Substrateinfluss /-vorbehandlung auf die H2-Fermentation: Eine geeignete Vorbehandlung der eingesetzten Rohstoffe soll eine effiziente Nutzung durch optimale Prozessparameter (Temperatur, Druck, Trockensubstanzgehalt) in der H2-Fermentation gewährleisten. Eine maximale Ausbeute von Wasserstoff in der H2-Fermentation soll durch kontinuierliche Produktabtrennung erreicht werden
  • Bestimmung der Reinheitsanforderungen des H2/CO2-Gemisches auf die CO2-Verwertungsmodule
  • Bestimmung der Effizienz der CO2-Strippung zur Steigerung der H<SUB>2</SUB>-Ausbeute
  •  Umsatz- und Kinetikuntersuchungen zur biologischen CO2-Verwertung und chemischen Methanisierung
  • Quantifizierung des Energieaufwands bzw. der Selektivität bei der Produktreinigung
  •  Effektivität der Speicherung von Überschussstrom durch die Einbindung der Wasserstoffelektrolyse in biotechnologische Prozesse
  • Ökonomische und ökologische Prozessbewertung inklusive Ermittlung spezifischer Gestehungskosten für alle Produkte der OptFuel-Prozesse sowie Sensitivitätsanalyse zu Substratpreis, Produktpreis und Strombezugskosten bzw. –einnahmen
  • CO2-Bilanz über ein Life Cycle Assessment
  • Kostenabschätzung einer Demo-Anlage

Wissenschaftliche Partner im Projekt

  •     Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz
  •     PROFACTOR GmbH, Geschäftsbereich Innovative Energiesysteme
  •     Montanuniversität Leoben – Institut für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes
  •     TU Wien – Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften

 

Kontakt:

Ass.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Michael Harasek