Plattform für Wasser, Gas und Wärme
Power-to-Gas (PtG) [1] stellt eine zukunftsweisende Lösung dar, um Strom aus erneuerbaren Energien wie Wasserkraft, Windkraft oder Solarenergie in Wasserstoff oder synthetisches Methan umzuwandeln. Denn das Schweizer Energiesystem wird zunehmend mit StromĂŒberschĂŒssen im Sommer durch den Ausbau der Photovoltaik und mit einem erhöhten Bedarf im Winter durch die schrittweise Abschaltung der Kernkraftwerke konfrontiert sein. DarĂŒber hinaus wird ein Erzeugungssystem, das auf einem hohen Anteil an intermittierender Energie beruht, auch die Planung neuer Spitzenlastkraftwerke mit sich bringen, um den Bedarf an FlexibilitĂ€t in Zeiten ohne Sonne oder Wind zu gewĂ€hrleisten.
In diesem Zusammenhang stellen PtG-Lösungen eine interessante Option dar, um die Ăberproduktion im Sommer zu speichern und in den Winter zu verlagern, wenn der Energiebedarf hoch ist. PtG ist im Grunde eine elektrochemische Umwandlung von ĂŒberschĂŒssigem Strom, da Wasserstoff (aus einem Elektrolyseur erzeugt) und COâ in gasförmige MolekĂŒle (z.B. synthetisches Methan) oder FlĂŒssigkeiten umgewandelt werden können.
Die groĂflĂ€chige Umsetzung dieser Technologie wird den Bau von Speicheranlagen mit hoher KapazitĂ€t erfordern. Die Gasinfrastruktur wird somit eine sinnvolle ErgĂ€nzung zu Pumpspeicheranlagen darstellen. Im Ăbrigen wird im Oberwallis eine Speicherung in Felshöhlen geprĂŒft, um diesen saisonalen Speicherbedarf zu decken.
Die PtG-Technologie fĂŒgt sich nahtlos in die Ziele der Energiewende ein:
Gaznat engagiert sich seit mehreren Jahren in der Forschung und Entwicklung dieser neuen Technologien und wendet erhebliche Mittel auf, um zwei SchlĂŒsselinnovationen fĂŒr die Zukunft zu testen:
Dank einer fruchtbaren Zusammenarbeit mit der EPFL wurden in diesen Bereichen grosse Fortschritte erzielt und Prototypen im industriellen Massstab werden derzeit im Innovationslabor (Innovation Lab) in Aigle getestet (GreenGas-Projekt).
Das GreenGas-Projekt, das auf dem GelĂ€nde des FĂŒhrungs- und Ăberwachungszentrums der Gaznat SA in Aigle angesiedelt ist, hat das Ziel, COâ-neutrales Gas (synthetisches Methan) aus erneuerbaren Energien und mittels neuer innovativer Technologien zu erzeugen, um es ĂŒber die Gasverteilungs- oder -transportleitungen in das Gasnetz einspeisen zu können.
Im Jahr 2018 wurde das Projekt dank verschiedener Studien, die das Potenzial fĂŒr die Erzeugung erneuerbarer Energien sowie den WĂ€rme- und Strombedarf des Standorts ermittelten, initiiert. Erst 2020 wurde das Gesamtprojekt vom Verwaltungsrat der Gaznat AG genehmigt. Nach detaillierten Studien begann der Bau konkret im Jahr 2022 mit dem Bau der Stahlkonstruktion und dem Aufstellen der Container, danach folgte die Einrichtung der COâ-Speicherung. Die einzelnen Anlagen wurden dann nach und nach angeschlossen und in Betrieb genommen, sobald sie geliefert wurden. Die Einweihung des Innovation Labs fand Ende August 2023 in Aigle (VD, Schweiz) statt.
Die Abbildung 1 zeigt das Prinzipschema des GreenGas-Projekts mit den verschiedenen Komponenten seines Innovation Labs, die im Folgenden beschrieben werden:
Ausgehend von der elektrischen Energie, die von den Photovoltaikmodulen (5) erzeugt wird, wandelt ein Elektrolyseur (6) diese in Wasserstoff um. Dieser Wasserstoff, kombiniert mit einer COâ-Quelle, wird in einen innovativen katalytischen Methanisierungsreaktor (7) mit hoher Umwandlungsrate eingespeist. Dabei entsteht COâ-neutrales, synthetisches Methan, das zur Endnutzung durch industrielle/private Kunden in das Gasnetz eingespeist wird.
Um den Energiebedarf des Standorts zu decken, sorgen zwei gasbetriebene WĂ€rme-Kraft-Kopplungsanlagen (2) fĂŒr die Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie. Ein Mikro-Heizungsnetz gewĂ€hrleistet die Verteilung in den verschiedenen GebĂ€uden des Standorts.
Durch den Einsatz innovativer nanoporöser Graphenmembranen (3) werden so die von den beiden Kraft-WĂ€rme-Kopplungsanlagen erzeugten COâ-Emissionen aufgefangen und fĂŒr eine spĂ€tere Verwendung gespeichert (4).
Zu Optimierungszwecken wird die sowohl vom Elektrolyseur als auch vom Methanisierungsreaktor abgegebene WĂ€rmeenergie zurĂŒckgewonnen und in das Mikro-Heizungsnetz eingespeist.
Damit die Anlagen optimal genutzt werden können, da Produktion und Verbrauch nicht systematisch in Phase sind, wurde eine Wasserstoffspeicherung auf der Basis von Metallhydriden eingerichtet.
Alle Anlagen des GreenGas-Projekts werden von einem Ăberwachungssystem (1) gesteuert und verwaltet, das intern bei Gaznat entwickelt wurde.
In Zahlen ausgedrĂŒckt lassen sich die Leistungen der GreenGas-Anlage in Aigle und ihrer einzelnen Komponenten wie folgt zusammenfassen:
Der fĂŒr die Methanisierungsreaktion benötigte grĂŒne Wasserstoff wird aus Wasser und Photovoltaikstrom in einem alkalischen Elektrolyseur der dĂ€nischen Firma Green Hydrogen Systems hergestellt. Das System hat eine elektrische Leistung von 450 kW und kann bis zu 8,1 kg Hâ/h bei einem Druck von etwa 30 bar erzeugen. Das System ist in einen schiffsĂ€hnlichen Container integriert, der die Leistungselektronik, die Wasserreinigung und die Nachbehandlung des Wasserstoffs umfasst.
Die Integration des Methanisierungsprozesses mit anderen Komponenten des GreenGas-Systems, d. h. dem Elektrolyseur und der COâ-Abscheidungseinheit, stellt eine weitere grosse Herausforderung dar, insbesondere fĂŒr den Methanisierungsprozess. Die inhĂ€rente VariabilitĂ€t der auf Photovoltaikpaneelen basierenden Sonnenenergie und die Effizienz der COâ-Abscheidung fĂŒhren zu einer Fluktuation der Hâ- und COâ-EintrĂ€ge in den Methanisierungsreaktor. Aufgrund dieser VariabilitĂ€t benötigt der Methanisierungsreaktor eine hohe betriebliche FlexibilitĂ€t, um seine Effizienz und StabilitĂ€t aufrechtzuerhalten.
Daher wurde ein Hâ-Speichersystem eingerichtet, mit dem Ziel, einen kontinuierlichen Betrieb der Synthesegasproduktion ĂŒber einen Zeitraum von 24 Stunden ohne Hâ-Produktion zu ermöglichen. Diese SpeicherkapazitĂ€t ermöglicht es dem Reaktor somit, eine konstante Produktion von Synthesemethan aufrechtzuerhalten, auch wenn keine Photovoltaikenergie zur VerfĂŒgung steht, z. B. wĂ€hrend der Nacht oder in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung.
Dieses Hâ-Speichersystem verwendet einen Metallhydridkompressor (abb. 2). Dank seines kompakten Designs und des variablen Drucks ist er hocheffizient und platzsparend, bietet eine höhere SpeicherkapazitĂ€t und lĂ€sst sich nahtlos in Systeme fĂŒr erneuerbare Energien integrieren. Der Metallhydridkompressor bietet einen erheblichen Vorteil, indem er 30 kg Hâ in einem BehĂ€lter mit einem Volumen von nur etwa 1 mÂł effizient speichert. DarĂŒber hinaus arbeitet es mit einem Ausgangsdruck zwischen 1 und 30 bar, sodass der Methanisierungsreaktor in Zeiten, in denen der Elektrolyseur nicht in Betrieb ist, z. B. aufgrund von Photovoltaikmangel, direkt mit Strom versorgt werden kann. Diese Innovationen sind fĂŒr die erfolgreiche Integration von Methanisierungsverfahren im Rahmen des GreenGas-Projekts von entscheidender Bedeutung. Die FlexibilitĂ€t und Belastbarkeit des Systems ist somit von entscheidender Bedeutung, um eine stabile und grossflĂ€chige Erzeugung von erneuerbarem Gas zu erreichen.
Die Methansynthese ist eine der wenigen selektiven Reaktionen bei der Reduktion von COâ zu Kohlenwasserstoffen. Der in Aigle installierte Reaktor, reprĂ€sentiert die dritte Generation. FĂŒr die Zwecke von Labortests hatte der erste eine KapazitĂ€t von 0,1 kg CHâ/h. Der zweite, der in der Entspannungs- und ZĂ€hlstation in Sion in Betrieb war, hatte eine Leistung von 0,7 kg CHâ/ h. Der in das GreenGas-Projekt integrierte Reaktor am Standort Gaznat in Aigle (Abb. 3), strebt eine Produktionsleistung von 16 kg CHâ/h an. Das komplette Design und die Dimensionierung des Methanisierungsreaktors wurde von GRZ Technologies in Zusammenarbeit mit Gaznat und der EPFL in Sion durchgefĂŒhrt.
Der neuartige Festbettreaktor profitiert von hohen Temperaturgradienten im Reaktionsbett, was eine fast vollstĂ€ndige Umwandlung von COâ in Methan in einem einzigen Schritt ermöglicht. Das Ergebnis ist eine wesentlich kompaktere Methanisierungsanlage mit der Möglichkeit, Mischungen aus Methan und COâ wie in Biogas einzuleiten, und ohne dass Wasserstoff und COâ im Produktgasstrom getrennt werden mĂŒssen (Abb. 4).
Das Ziel des laufenden Projekts war es, die Synthesemethode des Katalysators zu entwickeln und zu optimieren und das System gemÀss den relevanten Normen zu zertifizieren, um seine Kommerzialisierung zu ermöglichen. In Tabelle 1 sind die technischen Spezifikationen des Methanisierungsreaktors dargestellt.
| Technische Daten des Reaktors | |
| Maximale Methan-ProduktionskapazitÀt (CH4) | 16,2kg/hCH4 |
| MindestkapazitĂ€t fĂŒr die Methanproduktion (CH4) | 3,2kg/hCH4 |
| Betriebsbereich | 20-100% |
| Leistung (Eq. CH4 HHV) | 45-225kW |
| H2 Zuflussrate (H2) | 1,6-8,1kg/hH2 |
| CO2-Förderrate (CO2) | 8,9-44,4kg/hCO2 |
| Betriebsbedingungen | |
| Ausgangsdruck | 10bars |
| Durchschnittliche Betriebstemperatur | 200-260°C |
| Zertifizierung und KonformitÀt | |
| Explosive Umgebungen | ATEX-Richtlinie 2014/34/EU |
| Druckrichtlinie | PED-Richtlinie 2014/68/EU |
| NiederspannungsgerÀte | LVD-Richtlinie 2014/35/EU |
Um den katalytischen Methanisierungsprozess vom Labormassstab in den industriellen Massstab zu ĂŒberfĂŒhren, mussten mehrere technische Herausforderungen gemeistert werden, darunter das Reaktordesign, die KatalysatorstabilitĂ€t, das WĂ€rmemanagement und die Systemintegration. Kontinuierliche Fortschritte in der Reaktortechnik, der Katalysatorentwicklung und der Prozessintegration waren notwendig, um die mit der Methanisierung im grossen Massstab verbundenen Herausforderungen zu bewĂ€ltigen und ihre RentabilitĂ€t als SchlĂŒsseltechnologie fĂŒr den Energiewandel zu sichern [2].
Die grössten Herausforderungen bei der Erweiterung des katalytischen Methanisierungsprozesses liegen in der Entwicklung eines Reaktors, der grössere Volumina mit einer erheblichen Menge an ReaktionswĂ€rme effizient verarbeiten kann und dabei eine hohe COâ-Umwandlungseffizienz sowie MethanselektivitĂ€t beibehĂ€lt. Laborreaktoren arbeiten in der Regel unter gut kontrollierten Bedingungen mit kleinen Volumina, aber diese Bedingungen sind aufgrund nichtlinearer Skaleneffekte wie BeschrĂ€nkungen des WĂ€rme- und Stofftransports schwer in grösserem Massstab zu reproduzieren.
Die Methanisierungsreaktion ist exotherm und setzt grosse Mengen an WĂ€rme frei, die effizient gehandhabt werden mĂŒssen, um eine Ăberhitzung des Reaktors und eine Deaktivierung des Katalysators zu vermeiden [3]. In grosstechnischen Systemen wird die Abfuhr dieser WĂ€rme schwieriger, da das Reaktorvolumen zunimmt und es komplexer ist, eine angemessene Temperaturverteilung ĂŒber das gesamte Reaktorbett zu gewĂ€hrleisten. WĂ€hrend sich beispielsweise Laborreaktoren auf einfache WĂ€rmeaustauschmethoden verlassen können, um die exotherme Natur der Methanisierungsreaktion zu bewĂ€ltigen, benötigen industrielle Reaktoren ausgeklĂŒgelte KĂŒhlsysteme, um Hotspots zu vermeiden, die die Leistung des Katalysators beeintrĂ€chtigen und zu unregelmĂ€ssigen Reaktionsgeschwindigkeiten fĂŒhren könnten. Der Ăbergang von den im Labor ĂŒblichen Festbettreaktoren zu komplexeren Konfigurationen wie Wirbelbetten oder Mehrröhrenreaktoren ist oft notwendig, um die thermische Kontrolle aufrechtzuerhalten und einheitliche Reaktionsbedingungen im Massstab zu gewĂ€hrleisten.
Nach Kenntnis der Autoren wurde die Umwandlungsrate von ĂŒber 99% in einem einzigen Gasdurchgang bislang nicht von konkurrierenden Reaktoren erreicht. Obwohl es schwierig ist, genaue technische Informationen ĂŒber die Anbieter von Methanisierungsreaktoren zu finden, wird angenommen, dass diese Reaktoren hauptsĂ€chlich auf einem Nickelkatalysator basieren, der eine Umwandlung von etwa 60-70% pro Durchgang ermöglicht, was einen mehrstufigen Ansatz erfordert, um ein hochreines Synthesemethan zu erhalten [4]. Der in diesem Rahmen entwickelte Methanisierungsreaktor ist ein Festbettreaktor mit einmaligem Durchlauf, der eine COâ-Umwandlung von mehr als 99,5% anstrebt. Diese hohe Umwandlung wird der mehrstufigen Temperaturkontrolle und einem Katalysator mit HochtemperaturreaktivitĂ€t und -stabilitĂ€t zugeschrieben, was zu grossen Temperaturgradienten im Einpassreaktor fĂŒhrt. Die breiten Temperaturgradienten ermöglichen es, dass COâ, das in der ersten Stufe des Hotspots nicht reagiert hat, bei niedrigeren Temperaturen, die nur im unteren Teil des Reaktors aufrechterhalten werden, mit einem Umsatz von 99,5% in Methan umgewandelt wird. Bei einer solchen COâ-Umwandlung kann das Gas am Ausgang des Methanisierungsreaktors somit nach Entfernung des Wasserdampfes direkt in ein Gasnetz eingespeist werden.
Die erfolgreiche Skalierung des Methanisierungsprozesses hĂ€ngt entscheidend von der Entwicklung von Katalysatoren ab, die sowohl eine hohe AktivitĂ€t als auch eine LangzeitstabilitĂ€t in weiten Temperaturbereichen aufweisen. Wie bereits erwĂ€hnt, ist die Methanisierung ein exothermer Prozess, was bedeutet, dass wĂ€hrend der Reaktion WĂ€rme entsteht, die zur Bildung von Hot Spots im Reaktor fĂŒhren kann. Diese Hotspots können sich negativ auf den Prozess auswirken, indem sie die Umwandlung von COâ in das thermische Gleichgewicht verringern und die Deaktivierung des Katalysators aufgrund der hohen Temperaturen beschleunigen. Dieses Problem stellt eine grosse Herausforderung fĂŒr die Aufrechterhaltung einer effizienten und stabilen Reaktorleistung ĂŒber die Zeit dar [5].
In industriellen Methanisierungsreaktoren werden Nickelkatalysatoren aufgrund ihrer vergleichbaren katalytischen AktivitĂ€t und ihrer relativ niedrigen Kosten hĂ€ufig verwendet. Diese leiden jedoch unter mehreren EinschrĂ€nkungen, insbesondere unter den fĂŒr Grossreaktoren typischen Hochtemperaturbedingungen. Bei hohen Temperaturen neigen Nickelkatalysatoren zum Sintern, einem Prozess, bei dem die Metallpartikel verklumpen, die aktive OberflĂ€che verkleinern und die katalytische AktivitĂ€t verringern. DarĂŒber hinaus ist die Ablagerung von Kohlenstoff (Verkokung) ein weiteres identifiziertes Problem, da die Ansammlung von Kohlenstoff auf der KatalysatoroberflĂ€che die aktiven Teile blockieren und die Effizienz des Katalysators weiter verringern kann [6, 7].
Diese Nachteile schrĂ€nken nicht nur den Betriebstemperaturbereich von Nickel-basierten Katalysatoren ein, sondern fĂŒhren auch zu einer kĂŒrzeren Katalysatorlebensdauer als bei Edelmetallkatalysatoren. Die hĂ€ufige Notwendigkeit, den Katalysator aufgrund seiner Deaktivierung auszutauschen, erhöht die Betriebskosten von Methanisierungsprozessen, was die Verwendung von Nickelbasiskatalysatoren fĂŒr langfristige und grosstechnische VorgĂ€nge wirtschaftlich weniger rentabel macht. WĂ€hrend Nickel-basierte Katalysatoren also Vorteile in Bezug auf die anfĂ€nglichen Kosten bieten, stellen ihre Grenzen in Bezug auf thermische StabilitĂ€t und DeaktivierungsanfĂ€lligkeit grosse Herausforderungen fĂŒr den Einsatz im grossen Massstab dar.
Daher ist die Entwicklung alternativer Katalysatoren mit verbesserter thermischer StabilitĂ€t und DeaktivierungsanfĂ€lligkeit, wie z. B. Edelmetallkatalysatoren, von entscheidender Bedeutung, um die betriebliche und wirtschaftliche DurchfĂŒhrbarkeit von Methanisierungsprozessen im grossen Massstab zu verbessern. Daher basiert der von der EPFL entwickelte Katalysator auf Ruthenium (Ru), das auf Aluminiumoxid (AlâOâ) abgeschieden ist. WĂ€hrend Ruthenium ein wertvolles Edelmetall ist, hat die EPFL innovative Techniken eingesetzt, um die Menge des verwendeten Ru zu minimieren, ohne die Leistung des Katalysators zu beeintrĂ€chtigen.
Die wichtigste Innovation ist die Verkleinerung der Rutheniumpartikel auf die Nanoskala, d.h. auf etwa 1 nm. Dadurch benötigt der Katalysator nur 0,5 Gew.-% Ru, was den Gesamtverbrauch dieses teuren Metalls erheblich reduziert. Dieser Ansatz bietet einen substanziellen Vorteil gegenĂŒber den meisten veröffentlichten und auf dem Markt erhĂ€ltlichen Ru-Katalysatoren, die tendenziell einen höheren Ru-Gehalt verwenden.
Trotz der geringen Ru-Belastung zeigt der EPFL-Katalysator nicht nur eine ĂŒberlegene Wirtschaftlichkeit, sondern auch eine bemerkenswerte TemperaturbestĂ€ndigkeit, die so hohe Temperaturen wie 800 °C ohne Abbau aushalten kann. Ein solches Mass an thermischer StabilitĂ€t ist entscheidend fĂŒr die Aufrechterhaltung der Katalysatorleistung in Hochtemperaturreaktoren, wo die Bildung von Hotspots zum Sintern und zur Deaktivierung des Katalysators fĂŒhren kann.
Neben seiner thermischen BestĂ€ndigkeit hat der Katalysator in Labortests auch eine langfristige StabilitĂ€t gezeigt, was darauf hindeutet, dass er in der Industrie eingesetzt werden könnte. Die Haltbarkeit und Konstanz des Katalysators ĂŒber lange BetriebszeitrĂ€ume sind entscheidend fĂŒr die Senkung der Betriebskosten und die Verbesserung der Gesamteffizienz von COâ-Methanisierungsprozessen.
Der neu entwickelte Katalysator hat sich erfolgreich von der Laborsynthese auf einer 1-mg-Basis zur Grossproduktion auf einer 200-kg-Basis entwickelt. Dieser Katalysator wurde in den oben erwĂ€hnten Methanisierungsreaktor eingebaut. Erste Tests des Reaktors deuten darauf hin, dass die Reaktion bei etwa 200 °C mit dem eingesetzten Katalysator eingeleitet werden kann, was seine Eignung fĂŒr groĂtechnische Methanisierungsanwendungen bestĂ€tigt.
Die Erkenntnisse aus dem Reaktordesign, der Katalysatorentwicklung und der FlexibilitĂ€tskontrolle bieten unschĂ€tzbare Aussichten fĂŒr die bevorstehende Kommerzialisierung der Technologie. Diese Erkenntnisse werden als Grundlage fĂŒr die Entwicklung eines grösseren Reaktors dienen, dessen Grösse in der nĂ€chsten Iteration verdoppelt oder verdreifacht werden könnte (z. B. von 500 kW auf 1 MW). Kontinuierliche Anstrengungen und Ressourcen werden darauf verwendet, den Reaktor zu skalieren und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Betriebskosten zu minimieren. Gleichzeitig werden Strategien zur RĂŒckgewinnung der grossen WĂ€rmemenge, die bei der exothermen Methanisierungsreaktion entsteht, umgesetzt, um diese WĂ€rme möglicherweise fĂŒr andere industrielle Anwendungen zu nutzen.
Andererseits besteht ein wesentlicher Aspekt des Scale-up zur MarktfĂ€higkeit darin, die Toleranz des Katalysators gegenĂŒber Verunreinigungen zu verbessern, die ĂŒblicherweise in Rohmaterialien wie Biogas oder industriellen Restgasen zu finden sind. Diese COâ-reichen Quellen enthalten oft Verunreinigungen, die Katalysatoren deaktivieren und ihre Effizienz verringern können. Die Verbesserung der BestĂ€ndigkeit des Katalysators gegen diese Verunreinigungen ist entscheidend, um die langfristige StabilitĂ€t und wirtschaftliche Machbarkeit des Methanisierungsreaktors in industriellen Anwendungen zu gewĂ€hrleisten. Dieser ganzheitliche Ansatz, der die Skalierung des Reaktors, die EnergierĂŒckgewinnung und das Management von Verunreinigungen miteinander verbindet, wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, die Methanisierungstechnologie bis zur Marktreife voranzutreiben. Diese ist fĂŒr Ende 2024 geplant, mit dem Start einer Kleinserie, die ab 2025 hergestellt werden soll.
Die Membrantrennung wird aufgrund ihrer Energieeffizienz und ihrer AnpassungsfĂ€higkeit an verschiedene industrielle Prozesse zunehmend als praktikable Lösung fĂŒr die Kohlenstoffabscheidung anerkannt. Indem sie selektiv COâ durchlassen und andere Gase blockieren, bieten Membranen eine umweltfreundlichere, energiesparendere und kostengĂŒnstigere Alternative zu herkömmlichen chemischen Absorptionsmethoden auf Aminbasis. Die Notwendigkeit einer hohen Energieeffizienz ergibt sich aus der Tatsache, dass die derzeit auf dem Markt verfĂŒgbare Technologie, auf der Absorption von COâ im aminbasierten Lösungsmittel beruht, dessen Abscheidungskosten sehr hoch sind. Bei dieser Technik mĂŒssen die flĂŒssigen Amine durch WĂ€rmebehandlung regeneriert werden [8], und daher sind der Energieverbrauch und die Abscheidekosten mit 2-4 GJ/t COâ bzw. 50-110 Franken/t COâ erheblich.
Abscheideverfahren auf der Basis von Hochleistungsmembranen beruhen auf einem Bedarf an elektrischer Energie, die fĂŒr Kompression und Expansion benötigt wird, wodurch ein Konzentrationsgradient ĂŒber die Membran erzeugt werden kann. Die aktuelle membranbasierte Einfangtechnologie verwendet dichte Polymerfilme als selektive Schicht [9, 10]. Die hochmodernen Polymerfilme haben eine vielversprechende Leistung fĂŒr COâ/Nâ gezeigt. Es ist jedoch möglich, die Trennleistung, insbesondere die COâ-DurchlĂ€ssigkeit, durch eine Verringerung der erforderlichen FlĂ€che erheblich zu verbessern, um die Investitionskosten zu senken. Ausserdem ist es möglich, die Betriebslebensdauer der Membranen zu verbessern, indem ihre StabilitĂ€t durch das Vorhandensein saurer Verunreinigungen in den Verbrennungsgasen erhöht wird. Die selektive Schicht, die aus nanoporösen anorganischen Materialien hergestellt wird, hat den intrinsischen Vorteil einer hohen COâ-PermeabilitĂ€t und einer verbesserten thermischen und chemischen StabilitĂ€t.
Die FĂ€higkeit, Membranen zu entwerfen, die COâ effektiv aus Verbrennungsgasen in Kraftwerken, Industrieanlagen und anderen Quellen abtrennen können, macht sie zu einer SchlĂŒsseltechnologie fĂŒr die Erreichung der Dekarbonisierungsziele. Die Effizienz der Membrantrennung hĂ€ngt stark vom verwendeten Material ab, das sowohl die GaspermeabilitĂ€t als auch die SelektivitĂ€t bestimmt. Fortgeschrittene Materialien, die eine hohe COâ-PermeabilitĂ€t aufweisen (Fluss normalisiert durch die transmembrane Druckdifferenz), interessante SelektivitĂ€ten COâ/Nâ und COâ/Oâ und StabilitĂ€t in feuchten Verbrennungsgasen, die NOx und SOx enthalten, haben ein hohes Potenzial. Diese Materialien verbessern den selektiven Transport von COâ, wobei sie die fĂŒr industrielle Anwendungen erforderliche Robustheit beibehalten und eine hohe Haltbarkeit und Leistung bieten.
Poröses Graphen ist eine aufstrebende Klasse von Membranen. Insbesondere ist die Schicht, die COâ von Nâ in porösem Graphen trennt, nur ein Atom dick (Abb. 5). Daraus ergibt sich eine hohe COâ-Permeanz, da das MolekĂŒl nur ein Atom durchqueren muss, um von der stromaufwĂ€rts gelegenen Seite zur stromabwĂ€rts gelegenen Seite der Trennung zu gelangen. Die technisch-wirtschaftliche Analyse der Abscheidung nach der Verbrennung aus punktuellen Emissionen (z. B. in einem Kohlekraftwerk) mithilfe von Hochleistungs-Graphenmembranen mit Nanoporen zeigt, dass die Energie- und Abscheidungskosten auf 1 GJ/t COâ bzw. 30 Franken/ COâ gesenkt werden können. Dies liegt deutlich unter dem aminbasierten Verfahren [11]. Aufgrund seiner hohen Permeanz verfĂŒgt das auf der nanoporösen Graphenmembran basierende Verfahren ĂŒber einen geringen FuĂabdruck. Ein solches Abscheideverfahren ist beispielsweise fĂŒr eine Anwendung in der Schifffahrtsindustrie interessant, die fĂŒr 3% der weltweiten COâ-Emissionen verantwortlich ist und voraussichtlich weiter wachsen wird.
In Zusammenarbeit mit Gaznat SA hat die EPFL eine vielversprechende Technologie entwickelt, um selektive COâ-Poren in Graphen einzubauen [12-14]. Diese Technologie ist hochgradig skalierbar, da fĂŒr den Einbau von Poren lediglich ein Ozonstrom ĂŒber Graphen bei Raumtemperatur erforderlich ist, gefolgt von ErwĂ€rmung oder Lichteinstrahlung. In den letzten Jahren hat Gaznat SA drei Patentanmeldungen im Zusammenhang mit dieser Technologie eingereicht.
Erste Membranen mit der erforderlichen ZusatzausrĂŒstung wurden in das GreenGas-Projekt in Aigle eingebaut. Sie sollen COâ aus den Verbrennungsgasen von zwei (mit Erdgas betriebenen) WĂ€rmekraftkopplungen abfangen, die in Aigle installiert wurden. Erste Ergebnisse zeigten, dass die Graphenmembranen in Verbrennungsgasen mit 50 Teilen pro Million (ppm) NOx stabil sind.
In den letzten vier Jahren haben die Teams der Gaznat SA und der EPFL mehrere Herausforderungen fĂŒr die maĂstabsgetreue Produktion von Graphenmembranen gelöst. Diese Herausforderungen betrafen die Kosten fĂŒr die Herstellung von hochwertigem Graphen, die Entwicklung eines Reaktors im kleinen MaĂstab fĂŒr den gleichmĂ€Ăigen Einbau von PorositĂ€t in Graphen und die Entwicklung von groĂflĂ€chigen Graphenmembranen nach einem Protokoll, das eine erfolgreiche Herstellung im Labor der EPFL garantiert (Abb. 6). Die wichtigsten Highlights dieser Errungenschaften sind:
Vor dem Start des Projekts wurden fĂŒr Graphenmembranen Rohstoffe (Cu-Folien zur Herstellung von hochwertigem Graphen) verwendet, deren Kosten prohibitiv hoch waren (1000-10.000 $/mÂČ). Die Arbeit reduzierte die Kosten auf 8,50 Franken/mÂČ und zeigte, dass hochwertige Membranen unter Verwendung billiger Rohstoffe erfolgreich hergestellt werden können.
Vor Beginn des Projekts gab es keine massgeschneiderte Lösung zur PrĂ€paration von selektiven COâ-Poren in Graphen in einem MaĂstab von mehr als 1 cm. Es war notwendig, den Massstab der Porenerzeugungstechnologie zu erhöhen, sodass die eingebaute PorositĂ€t auf einer LĂ€ngenskala von mehreren hundert Zentimetern gleichmĂ€ssig ist. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein dedizierter Reaktor entworfen und die Probleme im Zusammenhang mit dem Massentransfer des Reaktanten, dem Abbau der TrĂ€gerschicht usw. gelöst, um schliesslich ein Protokoll zu erstellen, das eine gleichmĂ€ssige Oxidation auf einer FlĂ€che von 500 cm2 ermöglicht.
Die Hauptschwierigkeit bei Membranen mit atomarer Dicke (oder zweidimensionalen 2D-Membranen) besteht darin, dass diese Materialien sehr spröde sind. Das bedeutet, dass die Umwandlung von porösem Graphen in Membranen hĂ€ufig zu Rissen und SprĂŒngen fĂŒhrt, wodurch das Potenzial fĂŒr die Verwendung in Trennanwendungen zunichte gemacht wird. Daher wurden Protokolle entwickelt, die die Herstellung von grossflĂ€chigen Graphenmembranen (bis zu 50 cmÂČ) in Cross-Flow-Modulen ermöglichen. Diese zeigten eine Leistung, die der von kleinen Coupons von Graphenmembranen im Zentimetermassstab gleichkommt (Abb. 7).
Eine der StĂ€rken dieses Projekts ist zweifellos die Einrichtung eines Demonstrators am Standort Aigle und seine Integration in das GreenGas-Projekt (Abb. 8). Dadurch konnten die Probleme der Wasserkondensation in den Verbrennungsgasen, der nicht kontinuierlichen Versorgung mit Verbrennungsgasen (die KWK funktioniert nur zeitweise) sowie der FernĂŒberwachung und des Fernbetriebs gelöst werden. Die wichtigste Entdeckung war die Feststellung, dass die Graphenmembranen in den Verbrennungsgasen, die 50 ppm NOx enthalten, stabil sind. Dadurch konnte die technologische Bereitschaft auf der TRL-Skala auf 5 von 9 erhöht werden.
Die Nanoporen-Graphenmembran ist eine sehr vielversprechende, schnell aufkommende Technologie, die die Probleme der Kohlenstoffabscheidung in Bezug auf Kosten, StabilitĂ€t, FuĂabdruck und Umweltemissionen ĂŒberwinden will. Das Rohmaterial (Graphen, wie es synthetisiert wurde) ist dank der raschen Fortschritte bei der Herstellung von Graphen durch einen kontinuierlichen Walzenprozess mittlerweile zu geringen Kosten im Handel erhĂ€ltlich.
Motiviert durch das enorme Potenzial der Kohlenstoffabscheidungstechnologie auf der Grundlage von Graphenmembranen versucht ein Spin-off-Unternehmen der EPFL (Divea SA), schnelle Produktionsprotokolle zu entwickeln, um diese Technologie noch vor Ende dieses Jahrzehnts auf den Markt zu bringen, damit sie in grossem Massstab (1000 t/d) eingesetzt werden kann [15]. Mehrere kritische Schritte zur Verbesserung der technologischen Bereitschaft der Graphenmembran werden demnÀchst umgesetzt.
Ăber ein Jahr nach der offiziellen Inbetriebnahme haben die Photovoltaikmodule ĂŒber 500.000 kWh produziert, und die beiden WĂ€rmekraftkopplungsanlagen haben die thermische Energieversorgung des Standorts Aigle mit insgesamt 680.000 kWhth sichergestellt. Der Methanisierungsreaktor wurde zahlreichen Leistungstests unterzogen, die zu einer Optimierung seines Einsatzes fĂŒhrten. Das Ziel einer COâ-Umwandlung von ĂŒber 99 % wurde gut erreicht. Was die Graphenmembranen fĂŒr die COâ-Abscheidung betrifft, so wurden verschiedene "Kinderkrankheiten" festgestellt, die Ănderungen an der Anlage erforderlich machten. Dennoch wurde das Ziel der COâ-Abscheidung mit einer Membranstufe erreicht, wobei eine Reinheit von ĂŒber 60% COâ erzeugt wurde.
Insgesamt sind die Ergebnisse sehr ermutigend. Sie werden es ermöglichen, eine Vorserie zur Produktion mehrerer Einheiten des Methanisierungsreaktors zu starten und andererseits die zweite Stufe der Graphenmembranen einzurichten, mit dem Ziel, eine COâ-Reinheit von ĂŒber 90% zu erreichen.
Im Innovation Lab sind noch mehrere PlĂ€tze frei, um neue Innovationen aus Hochschulen und Start-ups zu testen. Gaznat steht interessierten Personen, Firmen und Institutionen fĂŒr weitere Informationen zur VerfĂŒgung.
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