{"id":1771,"date":"2018-07-23T09:18:35","date_gmt":"2018-07-23T07:18:35","guid":{"rendered":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ees\/?page_id=1771"},"modified":"2022-03-14T11:08:43","modified_gmt":"2022-03-14T10:08:43","slug":"technische-entwicklung-der-internen-methanisierung-im-gasauslasskanal","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ees\/forschung\/forschungsgebiete\/technische-entwicklung-der-internen-methanisierung-im-gasauslasskanal","title":{"rendered":"Technische Entwicklung der internen Methanisierung im Gasauslasskanal"},"content":{"rendered":"

\"BMWK-F\u00f6rderlogo\"<\/p>\n

FKZ: 03ET<\/abbr>6133A<\/h3>\n

Projekthintergrund<\/h2>\n

Im Zuge der angestrebten Energiewende wird zunehmend ein Ausgleich der fluktuierenden Erzeugung von erneuerbaren Energien notwendig sein, um die Versorgungssicherheit zu gew\u00e4hrleisten. Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff (H2<\/sub>) aus \u00fcbersch\u00fcssiger elektrischer Energie werden dabei einen wichtigen Baustein bilden. Zudem wird eine Kopplung der Sektoren Energie und Verkehr mit der Verwendung von Wasserstoff oder synthetischem Erdgas als Kraftstoff geschaffen.<\/p>\n

Durch die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie kann diese langfristig gespeichert werden. Der erzeugte Wasserstoff wird entweder erzeugungsnah gespeichert oder alternativ bis zu einem Volumenanteil von 5\u00a0% direkt in das Erdgasnetz eingespeist.<\/p>\n

Um die umgewandelte elektrische Energie unbegrenzt in das Erdgasnetz einzuspeisen, wird der Wasserstoff in einem nachgeschalteten Sabatier-Prozess durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid (CO2<\/sub>) oder Kohlenstoffmonoxid (CO) bei Temperaturen zwischen 200\u00a0\u2013\u00a0700\u00a0\u00b0C in Methan, der Hauptkomponente von Erdgas, umgewandelt (Abbildung 1). Dieses Verfahren wird auch als Power-to-Gas (PtG) bezeichnet. Hierbei lassen sich weitere Optimierungspotentiale in der energetischen Nutzung des aus erneuerbaren Energien erzeugten Wasserstoffs finden.<\/p>\n

\"\u00dcbersicht
Abbildung 1: Schematische Darstellung des PtG-Verfahrens mit einer der Elektrolyse nachgeschalteten Methanisierung [1]<\/figcaption><\/figure>Das relevanteste PtG-Verfahren nach dem Sabatier-Prozess weist nach dem Stand der Technik folgende Nachteile auf:<\/p>\n
    \n
  • Die Methanisierung erfolgt apparativ gesondert und nicht direkt nach der Elektrolyse.<\/li>\n
  • Es erfolgt keine Nutzung von Temperatursynergien, wodurch sich eine geringe Effizienz ergibt<\/li>\n
  • Der hohe apparative Systemaufwand f\u00fchrt zu hohen Kosten.<\/li>\n<\/ul>\n

    Abhilfe l\u00e4sst sich mit einer internen Methanisierungseinheit im Gasauslasskanal erzielen. Die Effizienz kann dabei gesteigert werden, da die Abw\u00e4rme des Elektrolyseurs direkt f\u00fcr die Methanisierung genutzt wird. Ebenso l\u00e4sst sich durch die Reduzierung des Systemaufwands eine Kostenersparnis erreichen.<\/p>\n

    Projektziel<\/h2>\n

    Dieses Teilprojekt untersucht die Vereinigung der Reaktionen der Elektrolyse und der Methanisierung in einer gemeinsamen Apparatur, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern und die Systemkosten zu senken (Abbildung\u00a02). Dabei wird sich auf die Elektrolyse durch PEM-Elektrolyseure konzentriert.<\/p>\n

    \"Struktur
    Abbildung 2: Struktur des chemischen Gesamtablaufs in der Elektrolyse-Methan-Zelle [1]<\/figcaption><\/figure>\n

    <\/h2>\n

    Ein Ansatz der dazu verfolgt wird, ist die Untersuchung des Konzeptes der Hybrid\u2011Plasma\u2011Katalyse, um das niedrige Temperaturniveau von PEM-Elektrolyseuren optimal nutzen zu k\u00f6nnen. Durch die Erzeugung von nichtthermischem Plasma bei der katalytischen Methanisierung k\u00f6nnen signifikante Ums\u00e4tze bei relativ niedrigen Temperaturen erzielt werden. Erwartet wird zudem ein dynamischeres Lastwechselverhalten gegen\u00fcber konventionellen Katalysen.<\/p>\n

    Methodisches Vorgehen<\/h2>\n

    Zu Beginn des Projekts werden m\u00f6gliche Reaktoren zur internen Methanisierung als physikalisches Modell mit der Software COMSOL Multiphysics\u00ae erstellt. Dabei werden sowohl m\u00f6gliche Geometrien als auch Materialeigenschaften nachgebildet und Gleichungen zur Beschreibung des Reaktionsablaufs implementiert. Durch die Analyse der Simulationsergebnisse werden die geeignetsten Varianten f\u00fcr experimentelle Untersuchungen ausgew\u00e4hlt. Davon ausgehend werden Prototypen hergestellt und mit unterschiedlichen Katalysatoren charakterisiert. F\u00fcr diese Untersuchungen wird eigens ein Teststand entwickelt und in einem Labor der Professur installiert. Schlie\u00dflich werden die gew\u00e4hlten Katalysatoren hinsichtlich ihrer Langzeitstabilit\u00e4t qualifiziert.<\/p>\n

    Publikationen<\/h2>\n

    Cosse, C.; Best, S.; Schulz, D.<\/em>
    \nAnforderungen an die Elektrolyse-Methan-Zelle,
    \nIn: Hamburger Beitr\u00e4ge f\u00fcr den technischen Klimaschutz,
    \nHelmut-Schmidt-Universit\u00e4t \/ Universit\u00e4t der Bundeswehr, Professur f\u00fcr Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Oktober 2019,
    \nBd.<\/abbr> 1,\u00a0 S. 122-127, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN<\/abbr> (Druck) 978-3-86818-247-7, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN<\/abbr> (Online) 978-3-86818-248-4<\/p>\n

    Best, S.; Cosse, C.; Schulz, D.<\/em>
    \nHybrid-Plasma-Katalyse zur Methanisierung im Power-to-Gas Prozess,
    \nIn: Hamburger Beitr\u00e4ge f\u00fcr den technischen Klimaschutz,
    \nHelmut-Schmidt-Universit\u00e4t \/ Universit\u00e4t der Bundeswehr, Professur f\u00fcr Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Oktober 2019,
    \nBd.<\/abbr> 1,\u00a0 S. 128-132, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN<\/abbr> (Druck) 978-3-86818-247-7, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN<\/abbr> (Online) 978-3-86818-248-4<\/p>\n

    Cosse, C.; Best, S.; Schulz, D.<\/em>
    \nApplicability of Fixed Bed Reactors for Methanation in Electrolysis-Methanation-Cells,
    \nREPE 2019 IEEE 2nd Int. Conf. on Ren. En. & Power Eng., Toronto, Kanada, 2.-4. November, 2019<\/p>\n

    Projektpartner:<\/h2>\n

    Das Projekt StBZuEL \u2013 Entwicklung und Test von elektrisch steuerbaren Membraneinheiten in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren mit interner Methanisierung im Auslasskanal<\/em> wird in Kooperation mit der Firma Altran Deutschland S.A.S. & Co. KG<\/abbr> bearbeitet.<\/p>\n

    \"Logo-StBZuEL\"<\/p>\n

    Patente:<\/strong><\/h2>\n

    [1] Schulz, D.: Brennstoffzellenmembraneinheit, steuerbare Brennstoffzelle und Hochdruckelektrolysezelle, 15.12.2011, Patent DE 10 2011 088 613<\/p>\n

    [2] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, United States Patent, Patent No.: US 9,437,887 B2, Sep.6, 2016<\/p>\n

    [3] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, European patent No. 2791392, 16.08.2017<\/p>\n

    [4] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Chinese patent, Patent No.: ZL2012800617937, 6.12.2017<\/p>\n

    [5] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, European patent No. 2978875, 07.03.18<\/p>\n

    [6] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, Chinese patent, Patent No.: ZL 2014800178483, 22.06.2018<\/p>\n

    [7] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, United States Patent, Patent No.: US 1050235506 B2, Jul. 17, 2018<\/p>\n

    [8] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, Japanese Patent Number 6462660, 11.01.2019<\/p>\n

    [9] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Japanese Patent Number 8486105, 01.03.2019<\/p>\n

    [10] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Korean Patent Number 10-2001703, 12.07.2019<\/p>\n

    Ansprechpartner:<\/h2>\n

    Prof. Dr.-Ing.<\/abbr> habil.<\/abbr> Detlef Schulz (Projektleiter<\/u>)
    \nDipl.<\/abbr>-Phys. Stefan Best
    \nDr.<\/abbr> rer.<\/abbr> nat. Daniel Becker
    \nFakult\u00e4t f\u00fcr Elektrotechnik
    \nElektrische Energiesysteme<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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