Institut für Energietechnik (IET)
HSR

Das letzte Puzzleteil für günstigen, erneuerbaren Treibstoff

Aus erneuerbarem Strom Methangas produzieren und ins Erdgasnetz einspeisen oder damit Erdgas-Fahrzeuge antreiben – das geht heute schon. Der Wirkungsgrad der Power-to-Methane Technologie reicht aber noch nicht für eine wirtschaftliche, industrielle Produktion als umweltfreundlicher Treibstoff und Energiespeicher. Das IET Institut für Energietechnik der HSR baut derzeit eine neue Forschungsanlage, die den Wirkungsgrad so stark erhöhen soll, dass die Technologie Investoren für eine umweltfreundliche Energieträger-Produktion anzieht.

Mit neuer Technologie und Geschäftsmodellen ist das so eine Sache. Unternehmen greifen neue Technologien nur auf, wenn sich ihre Anwendung finanziell spürbar lohnt und vorhersagbar mehr einbringt als der Status Quo. Deshalb reicht es nicht, dass bereits heute zuverlässig erneuerbare Energie in die chemischen Energieträger Methangas und Methanol umgewandelt werden kann. Es muss auch günstig sein, damit die Industrie in grosse Anlagen investiert. „Nur Grossanlagen erlauben einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz der Power-to-X-Technologie für einen substanziellen Beitrag zur Energiestrategie 2050“, ist IET-Leiter Prof. Dr. Markus Friedl überzeugt.

Das Potenzial ist riesig, weil das Power-to-X-Verfahren eine ideale Lösung für das ungelöste Langzeit-Speicherproblem der unregelmässigen erneuerbaren Energieproduktion darstellen könnte. Überschüssige Energie kann via Power-to-X zusammen mit Wasser und Kohlenstoffdioxid in verschiedene Energieträger gewandelt werden. Das X kann dabei etwa für Wasserstoff, Erdgas, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe stehen. Kommen Energie und Kohlenstoffdioxid aus erneuerbaren Quellen, zum Beispiel aus der Luft entnommenes CO2 und Strom aus Solar- oder Windanlagen, ist auch der produzierte Treibstoff erneuerbar. Bei der späteren Nutzung dieses erneuerbaren Gases entsteht kein zusätzliches CO2, weil bei der Verbrennung genauso viel CO2 frei wird, wir bei der Produktion eingesetzt wurde – so wird ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf möglich. Die Herstellung von erneuerbarem Methangas sowie die Einspeisung ins Schweizer Erdgasnetz wurden in der ersten Forschungsanlage der HSR untersucht.

Neue Forschungsanlage für höhere Effizienz

Ein Hindernis für eine grossindustrielle Verbreitung des Verfahrens ist derzeit noch der Wirkungsgrad, also das Verhältnis zwischen eingebrachter elektrischer Energie in den Prozess und der chemisch gespeicherten Energie im Endprodukt. Bevor Unternehmen im grossen Stil in Power-to-X-Anlagen investieren, muss die Produktion so effizient sein, dass sich das Produkt als Treibstoff oder als Energiespeicher-Dienstleistung mit Gewinn verkaufen lässt.

Genau hier will die neue Forschungsanlage der HSR ansetzen, die in den nächsten Monaten in Betrieb gehen wird. Den grössten Effizienz-Hebel sehen die IET-Ingenieure bei der Elektrolyse, also dem Prozess, bei dem der erneuerbare Strom dazu genutzt wird, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Deshalb wird in der neuen Power-to-Methane-Anlage in Rapperswil, aufbauend aus den Erfahrungen aus dem Vorprojekt, das Konzept neu aufgestellt: „Mit einer Hochtemperatur-Elektrolyse und einem integrierten Wärme-Management wollen wir den Wirkungsgrad der Anlage signifikant steigern“, sagt Projektleiter Dr. Luiz de Sousa.

Stand der Technik plus HSR-Know-how

Viele der IET-Forschenden, die in die neue Power-to-Methane-Anlage der HSR involviert sind, haben ihre Bachelor- oder Masterausbildung im Bereich Erneuerbare Energien und Umwelttechnik an der HSR abgeschlossen und im Rahmen ihres Studiums bereits mit der ersten Forschungsanlage der HSR gearbeitet.

Von diesem langjährigen Wissensvorsprung profitiert derzeit auch der laufende Aufbau der neuen Forschungsanlage. So wurde beispielsweise der Methanisierungs-Reaktor einer Mini-Power-to-Gas-Anlage durch den damaligen Studenten und heutigen IET-Ingenieur Christoph Steiner im Rahmen von Studien- und Bachelorarbeit von null auf entwickelt. Das von Steiner erarbeitete Wissen liess IET-Forscher Jonas Walker in die Designstudie des Reaktors einfliessen, welcher in der neuen Power-to-Gas-Forschungsanlage eingesetzt wird.

Neben den Forschungszielen bis 2020 sollen auch im Umfeld der neuen Anlage wieder Möglichkeiten für Studierende geboten werden, verschiedene Fragestellungen im Bereich der Power-to-X-Verfahren mit Studienarbeiten zu untersuchen.

Projektverantwortlicher: Dr. Luiz Carlos Reichenbach de Sousa, Sektorleiter International Projects, IET Institut für Energietechnik, luiz.desousa@hsr.ch

10 Projektpartner und ein EU-Projekt

Die neue Anlage wird von einer breiten Trägerschaft unterstützt und soll zwischen Ende 2018 und 2020 ihre Forschungsergebnisse publizieren sowie in das EU-Projekt Pentagon (www.pentagon-project.eu) einfliessen lassen, an dem folgende Institutionen aus Bildung und Industrie aus fünf europäischen Ländern beteiligt sind.

Konkret an der Forschungsanlage in Rapperswil beteiligt sind die Projektpartner:

  • Audi AG
  • Elektrizitätswerke Jona-Rapperswil EWJR
  • Energie Zürichsee Linth AG
  • Erdgas Obersee Linth Transport AG
  • Erdgas Regio AG
  • St. Galler Stadtwerke
  • Verband der Schweizerischen Gasindustrie VSG
  • Stadt Rapperswil-Jona
  • Energie 360°
  • GasDirekt AG
  • SCCER HaE (Heat and Elictricity Storage)
  • Bundesamf für Umwelt BAFU
  • Innosuisse
  • Europäische Union im Rahmen des Programms Horizon 2020 und des Projekts Pentagon 

Darüber hinaus profitiert das Projekt von den Entwicklungspartnern: 

  • EPFL Lausanne
  • apex
  • ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
  • MEMS
  • Hitachi Zosen Innova AG
  • h-CPE
  • EMERSON
  • Swagelok

Kontakt

Dr. Luiz Carlos de Sousa
Sektorleiter International Projects
luiz.desousa(at)hsr.ch 

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