Chemische Speicher: Energie ohne Verluste lagern

Um große Energiemengen langfristig zu speichern, setzen wir auf chemische Energiespeicher. Sie bieten Kapazität für mehrere Megawattstunden Strom. Das ist notwendig, um Schwankungen in der fluktuierenden Energieerzeugung auszugleichen, die durch Wind oder Sonne entstehen und bald einen großen Teil der Stromversorgung in Deutschland abdecken sollen. Der große Vorteil chemischer Speicher ist, dass sie Energie ohne Verluste lagern.

Redox-Flow-Batterien

Ein Fokus der Forschungen am TZ Energie liegt auf Redox-Flow-Batterien. Darin lassen sich Leistung und Energie unabhängig voneinander skalieren. So können die langlebigen Batterien einfach in unterschiedlichen Positionen im Stromnetz eingesetzt werden, beispielsweise in der Notstromversorgung oder als Lastausgleich im Verteilernetz. Unser Ziel ist es, die Effizienz dieser Speicher zu steigern und sie optimal im Umfeld regenerativer Energieerzeugung einzusetzen.

Biogas und Biomethan

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der chemischen Umwandlung von Biogas in flüssiges Biomethan. Dabei wird das Klimagas Kohlendioxid mit Wasserstoff zu nutzbaren Energieträgern Methan oder Methanol reduziert. Diese Technologien leisten einen wichtigen Beitrag, um den CO2-Anstieg in der Erdatmosphäre zu reduzieren.
Wir haben ein Verfahren für diese chemische Umwandlung entwickelt, das wir nun weiter optimieren. Denn flüssiges Biomethan bietet deutliche Vorteile gegenüber Biogas: Es lässt sich viel effektiver speichern, einfacher transportieren und ist zudem, bezogen auf das Volumen, tausendmal energiereicher.

Power2Gas, Aufbau LTM-Labor

Die Power-to-Gas-Technologie wandelt Strom durch Elektrolyse in Wasserstoff um. Da für die Speicherung von Wasserstoff viel Energie aufgewendet werden muss, wird er anschließend mikrobiologisch in Methan konvertiert (mikrobiologische Methanisierung, LTM). Diese Technologie eignet sich besonders, um überschüssigen Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien zu speichern und zu nutzen.
Gemeinsam mit der Technischen Hochschule Deggendorf (THD) wollen wir ein operatives Labor/Technikum am TZ Energie aufbauen, unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Dr. Raimund Brotsack (THD) mit begleitender Akquisition erster Forschungsvorhaben auf regionaler wie internationaler Ebene.

Projekte zu chemischen Speichern

Forschungsplattform für zukünftige Energiespeicher: FSTORE

FSTORE: Grenzüberschreitende Plattform für Forschung an zukünftigen Energiespeichern und deren Integration 
(Cross-border Platform for Research in Future Energy Storage Systems and their Integration)

Allgemeine Informationen zum Projekt:

Projektlaufzeit: 01.02.2017 – 31.01.2020

Lead-Partner: Technologiezentrum Energie (TZE) der Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut in Ruhstorf an der Rott

Projektpartner: New Technologies Research Centre (NTC) der Universität Westböhmen in Pilsen

Projektfinanzierung: INTERREG V Freistaat Bayern - Tschechische Republik 2014 – 2020 (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung)

Projektziel: Stärkung der grenzüberschreitenden F&I-Aktivitäten

Spezifisches Ziel: Schaffung einer Plattform im INTERREG- Gebiet zur gemeinsamen Forschung an Flussbatterien und zum Wissensaustauch

Projektbeschreibung: Das Projekt FSTORE generiert eine wissenschaftliche Plattform zur gemeinsamen Forschung im INTERREG-Programmgebiet im Bereich der Flussbatterien (Redox-Flow Batterien). Dazu wird die bereits vorhandene grenzübergreifende Forschungs- und Infrastruktur zu diesem Forschungsfeld gebündelt, in Abstimmung mit den Projektpartnern optimiert und gleichzeitig einem größeren Kreis von Wissenschaftlern zugänglich gemacht.
Dabei sollen moderne und innovative Lösungen zur Energiespeicherung im Bereich Redox-Flow Systeme im Fokus stehen. Die voneinander unabhängige Skalierbarkeit von Leistung und Energie der Redox-Flow Systeme bietet hervorragende Chancen zur Integration solcher Speichersysteme in unterschiedlichste Szenarien, wie beispielsweise Notstromversorgungen, Lastausgleich und Spitzenlastkappung im Verteilernetz. Dazu sollen die Redox-Flow-Batterien im Umfeld regenerativer Energieerzeugung betrachtet werden. Zudem ist diese Technologie aus heutiger Sicht von einer zu erwartenden Verknappung der zur Herstellung benötigten Rohstoffe (Seltene Erden, Edelmetalle, etc.) weitgehend unberührt.

Flüssiges Methan aus Biogas: LBM (abgeschlossen)

Die Hochschulen Landshut und Weihenstephan erforschen und entwickeln ein neuartiges Biogasaufbereitungsverfahren. Mit diesem Verfahren wird die Umwandlung von Biogas zu flüssigem Biomethan (LBM) und festem Kohlenstoffdioxid (Trockeneis) ermöglicht.
Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojektes ist die Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, in Form von Trockeneis, aus Biogas nachzuweisen. Der Methananteil im Rohgas kann im nächsten Prozessschritt verflüssigt werden.

Projektlaufzeit: 1. April 2014 - 31. Dezember 2016

Projektkoordinator: Prof. Dr. Josef Hofmann

Projektpartner: Hochschule Weihenstephan-Triesdorf

Projektfinanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

Projektbeschreibung

Im vorliegenden Projekt wird Biogas aus einer Laborbiogasanlage durch eine von der Hochschule Weihenstephan entwickelte und individuell angepasste Gasreinigung behandelt. Dabei werden Wasser sowie Spurengase wie Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S) abgeschieden, so dass das daraus entstehende Gasgemisch weitgehend aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) besteht.



Dieses vorgereinigte Gasgemisch wird anschließend dem von der Hochschule Landshut entwickelten kryogenen Trennverfahren zugeführt. Kernstück der konstruierten und gefertigten Laboranlage mit einer Durchsatzleistung von 30 Normliter pro Stunde sind drei in Reihe geschaltete Wärmetauscher mit einer Betriebstemperatur von ca. 200 bis 110 K. Diese Anordnung ermöglicht die Abscheidung des im gereinigten Biogas enthaltenen CO2 in Form von Trockeneis.



Der erste Wärmetauscher - zum Vorkühlen - ist gleichzeitig als Ausfriereinheit für eventuell noch vorhandene minimale Restkonzentrationen an Störstoffen wie H2S oder NH3 vorgesehen.


Im zweiten Wärmetauscher wird das gasförmige Kohlenstoffdioxid in einem Temperaturbereich von 190 K bis ca. 150 K durch Desublimation als fester Trockeneisschnee abgeschieden und aus dem gasführenden Teil der Anlage entfernt.



Die Verflüssigung des im Restgas enthaltenen Methans erfolgt im dritten Wärmetauscher bei einer Temperatur von 110 K. Das entstehende flüssige Methan - LBM (Liquefied Biomethane) - wird in einem Kryobehälter gesammelt und aus der Anlage diskontinuierlich entfernt. Dann verbleibende Restgasbestandteile wie geringe Mengen an Wasserstoff oder Stickstoff werden in Atmosphäre ausgeleitet. Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild des Verfahrens mit den wesentlichen Stoffströmen.



Die thermodynamischen Eigenschaften des vorbehandelten Biogases garantieren eine Reinheit von über 99,9 % CH4 in der Flüssigphase, ohne dabei auf hohe Drücke oder giftige Chemikalien
zurückgreifen zu müssen. Hinzu kommt der sehr geringe Methanschlupf, der dazu beiträgt, die im Rohgas enthaltene Energie fast vollständig nutzbar zu machen. Die benötigte Kälteleistung wird in der Laboranlage mittels eines Gifford-Mc Mahon-Kühlers unter Vakuumisolierung für die drei kryogenen Wärmetauscher bereitgestellt.



Durch das Abtrennen des CO2 und der Verflüssigung des Methans entsteht ein hochwertiger tiefkalter und flüssiger Energieträger. Dieser besitzt bei einer Temperatur von 110 K einen Heizwert von 5,87 kWh/l (Vergleich: Biogas bei 300 K ca. 0,0055 kWh/l). Das Aufbereitungsverfahren eignet sich daher besonders bei Biogasanlagen, bei denen das Erdgasnetz als Energiespeicher nicht zur Verfügung steht. Durch die Konzentration der Energiedichte des Biogases um den Faktor 1000 wird der Transport von großen Energiemengen mittel LKW als Brennstoff oder als Kraftstoff ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen Biogasaufbereitungsverfahren ist eine Anbindung an Biogasanlagen mit einem Volumenstrom kleiner 250 m³/h sinnvoll. Die Entwicklung modularer Verflüssigungseinheiten für einen Volumenstrom von ca. 25 – 35 m³/h wird angestrebt.



Ziele des Projekts sind der Nachweis einer dezentralen kryogenen Langzeitspeicherung großer Energiemengen als LBM, das Aufzeigen alternativer Verwertungswege für Biogas und eine effizientere Nutzung der im Rohgas enthaltenen Energie. Die zusätzlichen Vermarktungsmöglichkeiten von Trockeneis und LBM sollen einen wirtschaftlichen Betrieb von Biogasanlagen außerhalb des deutschen Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) sicherstellen. Der Einsatz von LBM als Substitut von fossilem Kraftstoff für den Schwerlastverkehr oder als hochreiner Rohstoff für die chemische Industrie ist möglich. Einen zusätzlichen finanziellen Benefit verspricht die Vermarktung von Trockeneis für Kühlzwecke oder zur Oberflächenbehandlung.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Josef Hofmann

Lehrgebiete

Chemie
Energietechnik
Umwelttechnik Stoffstrom- und Abfallwirtschaft (Berufsbegleitender Master PMR)

Homepage

Kontakt

RAUM:  J1 10
TEL:  +49 (0)871 - 506 218
E-MAIL: josef.hofmann(at)haw-landshut.de

Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger

Lehrgebiete

Elektrische Energiespeicher

Chemie

Kontakt

RAUM:  TZE01-1
TEL:  +49 (0)8531 - 914044 11
FAX:  +49 (0)8531 - 914044 90
E-MAIL: karl-heinz.pettinger(at)haw-landshut.de