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.
Das Gesamtziel des Vorhabens ist die verständnisgetriebene Identifikation und Charakterisierung von stabilen und aktiven edelmetallfreien Katalysatorsystemen für die Kopplung von elektrochemischer Wasserspaltung mit der direkten reduktiven Umwandlung von CO2 in einfache Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen. Es wird eine Steigerung der Stromdichte einer CO2/H2O Elektrolysezelle um 50% und eine Steigerung der Ausbeute an kohlenstoffhaltigen Produkte um 30% gegenüber einer Referenzzelle mit herkömmlichen Katalysatoren angestrebt. Es ist ein spezifisches Ziel des FUB-Vorhabens in wissensbasierten Iterationsschritten kosten- und energiegünstige Elektrodepositionsverfahren (Elektrosynthesen) zur Herstellung edelmetallfreier Katalysatorfilme (für Wasseroxidation und CO2-Reduktion) zu entwickeln, um die Energie- und Materialkosten der Katalysatorsynthese gegenüber herkömmlichen Systemen auf Edelmetallbasis um 50-80% zu verringern. Auch die Optimierung des Elektrolytsystems ist ein zentrales Ziel. Hierbei soll eine energetische Effizienz der edelmetallfreien Wasseroxidationskatalyse von über 70% erreicht werden. Im Rahmen des Verbundprojekts werden an der FUB (Freie Universität Berlin) Funktionsparameter mit Synthese- und strukturellen Parametern von mindestens 50 Katalysatormaterialien korreliert, um so grundlegende Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen zu erhalten, die verständnis-getriebene Syntheseiterationen ermöglichen. Weiterhin wird der gemeinsame Elektrolyt beider Halbzellen optimiert. Die Katalysatoren (eigene und die der Verbundpartner) im FUB Teilvorhaben werden mittels Röntgenspektroskopie in Messkampagnen am Berliner Elektronensynchrotron bezüglich ihrer atomaren Struktur untersucht. Elektrochemische Belastungstest und Untersuchungen zur belastungsinduzierten Strukturveränderungen in der Demonstratorzelle sind ebenfalls Teil des Arbeitsprogramms.
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.
Die Entwicklung intelligenter Langzeit-Speichermöglichkeiten für erneuerbare Energie durch die Verwendung vorhandener Untertagegasspeicher ist der einzige fehlende Baustein im Power to Gas System, in dem Strom zu Wasserstoff umgewandelt wird. Im Rahmen des beantragten Leitprojektes werden Simulationen und Labortests sowie ein Demonstrationsversuch im industriellen Maßstab, begleitet durch ein Life Cycle Assessment, durchgeführt, um die Möglichkeit der chemischen Speicherung von erneuerbarer Energie in einem Untertagereservoir zu prüfen. Einen wesentlichen Aspekt für die technische Einleitung von Wasserstoff in Untertage-Erdgasspeicher stellen dadurch induzierte mikrobielle Umsetzungen im Reservoir dar. Um Bedingungen des Erdgasspeichers zu simulieren werden Bohrkerne aus einer Tiefe von ca. 1.200 m sowie Lagerstättenwasser in Bioreaktoren eingebaut. Die Gesteinskerne, welche aus einer Erdgas führenden geologischen Formation geworben wurden, werden unter definierten Verhältnissen (46°C, 47 bar) dem Lagerstättenwasser und Gasmischungen (Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Schwefel-Komponenten) exponiert. Biogeochemische Transformationsprozesse von gasförmigen sowie flüssigen und festen Reaktorinhalten werden untersucht. Basierend auf diesen Resultaten wird ein operativer Bereich für Wasserstoff exponierte Reservoirs definiert, welcher die mikrobiologische Konsumation von Wasserstoff und die Entstehung von Schwefelwasserstoff minimieren soll. Dies wird in einem darauf folgenden in situ Versuch im Erdgasspeicher berücksichtigt.
Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung dieser Metall-Metallsalz-Verbünde. Salze ermöglichen mit Wasserdampf, Ammoniak oder Alkoholen die Nutzung verschiedener Gas-Feststoff-Reaktionen, die sich für Anwendungen in Wärmepumpen, Kältemaschinen oder thermochemischen Speichern im Niedertemperaturbereich eignen. Das Ziel ist die Erzeugung von reaktiven Salzschichten auf porösen metallischen Schaum- oder Faserstrukturen. Hierzu sollen unterschiedliche Synthesepfade und deren Einfluss auf die Eigenschaften und Haftung der Salzschichten untersucht werden. Die hergestellten Verbundmaterialien werden anschließend experimentell charakterisiert, um Aussagen zu den Wärmeleiteigenschaften, zur Kinetik der Reaktions- bzw. Adsorptionsvorgänge und zur erreichbaren Leistungs- und Speicherdichte zu treffen. Anhand der Ergebnisse sollen Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet und ein Simulationsmodell zur Auslegung von Adsorber-Wärmeübertragern auf Basis der neuen Verbundmaterialien erstellt werden.
Das Ziel des Projekts ist die partielle Spaltung von Kohlendioxid mittels elektrischer Energie. Dazu wird in diesem Projekt ein Plasma- mit einem Separationsprozess gekoppelt. Im Plasmaprozess dissoziiert CO2 zu den Reaktionsprodukten Kohlenmonoxid (CO) und atomarer Sauerstoff (O). Der Sauerstoff wird in einem adaptierten Separationsprozess mittels einer Keramikmembran abgetrennt. In der Verantwortung des Teilvorhabens der MUEGGE GmbH liegt das Arbeitspaket AP3. In AP3.1 werden die Spezifikationen der Plasmaquelle, des Mikrowellensenders und der Leistungsversorgung festgelegt. Im Speziellen geht es darum, dabei Strategien zu erarbeiten, mehrere Plasmaquellen individuell zuschaltbar zu gestalten oder in einen Regelkreis einzubinden, da bei einer zukünftigen Anwendung des Dissoziationsprozesses von CO2 zu CO und O mit adaptiertem Separationsprozess des Sauerstoffs Strom aus regenerativen Quelle zum Einsatz kommen soll, und es sich bei der Netzleistung somit um eine fluktuierende Eingangsgröße handelt. Bei der Optimierung des Quellenbetriebs in AP3.2 wird auf einen sicheren Zündvorgang und eine getaktete oder geregelte Betriebsweise hingearbeitet, da die Atmosphärendruckplasmaquelle nur bei Energieüberschuss betrieben werden soll. Dies soll insbesondere durch Simulationen des Mikrowellenplasmas effizient umgesetzt werden, wobei die Ergebnisse dieser Simulationen direkt in die Quellengeometrie einfließen. Die dabei in AP3.2 entwickelten Regelkreise der Netzteiltechnik für die Steuerung der Zündvorgänge und der getakteten oder geregelten Betriebsweise des Atmosphärendruckplasmas werden schließlich in AP3.3 beim Aufbau einer gepulsten Energieversorgung hardwaretechnisch umgesetzt. Entscheidend ist dabei die Entwicklung der speziellen Halbleiternetzteile, die es schließlich ermöglichen, das Atmosphärendruckplasma mit Kurzzeitpulsen zu betreiben und so die Effizienz des Plasmaprozesses zu erhöhen.
Der Antragsteller beabsichtigt die Erprobung und den Demonstrationsbetrieb eines Festkörperspeichers für Wasserstoff auf der Basis von Magnesiumhydrid. Der Speicher soll in eine Wind-Wasserstoffproduktionsanlage am Leuchtturmvorhaben H2-BER eingebunden werden und als Pufferspeicher für das nachgeschaltete BHKW dienen. Ziele: Demonstration der technischen Machbarkeit anhand einer Referenzanlage, Sammlung von Erfahrungswerten und Validierung der Leistungsdaten, Realisierung von Verbesserungspotentialen, Demonstration der Leistungsfähigkeit der Technologie, Verknüpfung der Zukunftstechnologien erneuerbare Energien, Wasserstoffherstellung und Wasserstoffspeicherung. Zudem soll in einer technischen Studie die potenzielle thermische Anbindung des Feststoffspeichers an das BHKW evaluiert und simuliert werden. Integration eines Festkörperspeichers mit einer Kapazität von 100 kg Wasserstoff in die Wind-Wasserstoff-Produktionsanlage am Flughafen BER. Lieferung und Installation des Speichers. Demonstrationsbetrieb über einen Zeitraum von 32 Monaten inkl. begleitender technischer und wirtschaftlicher Validierung.
In modernen Stahlwerken ist das Energieeffizienzpotential durch herkömmliche Prozessoptimierungen bereits weitgehend ausgeschöpft. Daher besteht die Notwendigkeit, durch neue, innovative Ansätze die Stahlproduktion energie- und ressourceneffizienter sowie klimafreundlicher zu gestalten, nicht zuletzt um die globale Wettbewerbsfähigkeit am Produktionsstandort Österreich zu erhalten. In einem Stahlwerk fallen energiereiche, CO-, CO2- und H2-haltige Gase, sogenannte Kuppelgase, aus unterschiedlichen Prozessen an, die nach dem Stand der Technik innerhalb des integrierten Hüttenwerks energetisch verwertet werden. Das Projekt setzt sich zum Ziel, durch Entwicklung von gesamten Prozessketten zur energieeffizienten Nutzung geeigneter Kuppelgase unter Einbindung erneuerbarer Energie die Energieeffizienz in der Stahlproduktion zu erhöhen und die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Als Kuppelgase kommen dabei Kokereigas, Tiegelgas und möglicherweise auch Gichtgas aus dem Hochofen in Frage, die unterschiedliche Zusammensetzungen, insbesondere hinsichtlich des Gehaltes an CO, CO2, H2, CH4 und N2 aufweisen. Durch Einbindung einer Power-to-Gas (PtG) Anlage wird mittels Wasserelektrolyse erneuerbarer Strom zur H2-Erzeugung verwendet, der für eine nachfolgende Methanisierung der Kuppelgase genutzt wird. Des Weiteren soll die Einbindung einer Wirbelschicht-Biomassevergasung zur Bereitstellung von H2 und CO2 betrachtet werden. Dabei stellen sich sowohl Fragen der optimalen Verschaltung, z.B. welche Kuppelgase aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihres mengenmäßigen und zeitlichen Anfalles im Hüttenwerk besonders als Edukte für die Methanisierung geeignet sind, als auch in wie weit diese Gase vor einer Methanisierung aufbereitet werden müssen. Es wird im Projekt abzuwägen sein, ob eine CO2/CO-Abtrennung vor der Methanisierung aus energetischer und ökonomischer Sicht zielführender ist als eine Aufbereitung des Produktgases aus der Methanisierung für eine Einspeisung ins Erdgasnetz. Alternativ kann das nicht aufbereitete Produktgas aus der Methanisierung auch innerhalb des integrierten Hüttenwerkes als Ersatz für fossiles Erdgas verwendet werden. Die Einbindung erneuerbarer Energien verspricht durch Integration in das Umfeld eines Stahlwerkes eine signifikante Erhöhung der Energieeffizienz in der Produktion, eine wesentliche Reduktion der CO2-Emissionen sowie die chemische Speicherung von Überschussenergie, die innerhalb und außerhalb des Hüttenwerkes verwendet werden kann. Durch die synergetische Nutzung von Nebenprodukten der PtG-Anlage innerhalb des Hüttenwerkes, insbesondere O2, sind weitere energetische Effizienzsteigerungen sowie Kosteneinsparungen zu erwarten, die die Wirtschaftlichkeit der Prozesskette erhöhen. (Text gekürzt)
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