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HydroMetha Development of a stationary electricity storage system via high temperature co-electrolysis and catalytic methanation

Konventionelle Power-to-Gas-Anlagen zur Speicherung von überschüssigem Strom in Form von Gasen beruhen auf der Elektrolyse von Wasser und einer allf. anschließenden Methanisierung. Mit dem Leuchtturm-Projekt HYDROMETHA wird ein neuartiger, vollständig integrierter Prozess der CO2 + H2O Hochtemperatur-Co-Elektrolyse (Co-SOEC) und einer nachfolgenden katalytischen Methanisierung entwickelt. Die Zusammenschaltung dieser Prozesse sowie die Komponenten- und Betriebsoptimierung ermöglichen eine signifikante Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades von Strom zu Methan bis auf über 80%. Durch Systemvereinfachungen, erhöhte Lebensdauer und Langlebigkeit sowie Optimierungen der Prozesskette werden wesentliche Kostensenkungen und damit erhöhte Marktpotenziale erwartet. Darüber hinaus werden Betriebsstrategien entwickelt, die auf reale Energiemarktanforderungen ausgerichtet sind, einschließlich Teillast-, Stand-by- und Load-Follow-Betrieb. Der Kernbereich des Prozesses in Form eines 10kWel Funktionsträgers mit der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse und der direkt angekoppelten Methanisierung wird aufgebaut, charakterisiert und zusammen mit industriellen Partnern getestet.

Ausgangssituation

Aktuelle Herausforderungen von SOEC und Methanisierung
– Niedrige Strom- und Leistungsdichten
– Kurze Lebensdauer / hohe Materialdegradierung
– Sehr begrenzte Lastflexibilität
– Beschränkter Wirkungsgrad auf Grund von Wärmeenergieverlusten im Bereich der Methanisierung

Wichtige Entwicklungsbedürfnisse
– Verbesserte Langzeitstabilität und Stromdichte von SOEC-Zellen und -Stapeln
– Effizientes Wärme- und Massenfluss-Management
– Erhöhte Kosteneffizienz und niedrigere Investitionskosten
– Marktorientierter dynamischer Anlagenbetrieb

Projektverlauf

Der Projektstatus wurde zur Halbzeit im Rahmen einer Veranstaltung in Oktober 2019 der Öffentlichkeit präsentiert.
Am Fraunhofer-Institut IKTS wurden die neuen SOEC-Stacks mit unterschiedlichen H2O, CO2 und CO Gaszusammensetzungen im gesamten Leistungsbereich bis zu Stromdichten von 600 mA / cm² getestet. Die erhaltenen Messdaten wurden von AVL für die Simulation und Systembeurteilung verwendet. Darüber hinaus wurden 30-Zellen-Stacks hergestellt und das 180-Zellen-Stackmodul vormontiert. AVL führte umfassende multiphysikalische CFD Simulationen durch, um die Auslegung des Stackmoduls hinsichtlich einer homogenen Gasverteilung und einem geringen Druckabfall zu analysieren. Die Ergebnisse bestätigten die hervorragende Qualität der aktuellen Stack-Konstruktion.
Bei MUL-PC wurde die Charakterisierung neuartiger gemischter ionisch-elektronisch leitender Keramiken hinsichtlich ihrer Eignung als SOEC-Anoden (Luftelektroden) fortgesetzt. Leistungstests mit verschiedenen SOEC-Luftelektrodenmaterialien auf der Basis von anodengestützten Zellen (ASCs) und elektrolytgestützten Zellen (ESCs) wurden durchgeführt und mit Ergebnissen verglichen, die aus Messungen der vom Fraunhofer IKTS gelieferten vollständigen ESC-Zellen erhalten wurden.
Der gesamte Prozess der Co-SOEC-Elektrolyse mit der angekoppelten Methanisierung wurde modelliert und weiter optimiert.
Das Verhalten des Methanisierungs-Teilprozesses unter Nutzung des Synthesegases des Co-SOEC-Elektrolyse-Teilprozesses wurde bei MUL-VTIU experimentell untersucht. Es wurden sowohl der stationäre als auch der dynamische Betrieb analysiert. Es wurde auch der Betrieb einer alternativen Prozessanordnung mit nur zwei Druckstufen demonstriert.
Von AVL wurde die gesamte Anlage ausgelegt, konstruiert und beschafft. Derzeit erfolgt der mechanische Aufbau im laufenden dritten Projektjahr mit gewissen auf Grund der allgem. Situation bedingten Verzögerungen.
Eine Analyse der zukünftigen Wachstums- und Exportpotenziale für derartige Anlagen wurde von EI-JKU durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Verwendung von Synthesegas aus der HYDROMETHA -Anlage und deren Kopplung an einen Windpark aus technoökonomischer Sicht analysiert.

Meilensteine

  1. Co-SOEC Elektroden- und Zellentwicklung
  2. Co-SOEC Stack- und Modulentwicklung
  3. Katalytische Methanisierung
  4. Co-SOEC Systementwicklung, Validierung und Skalierung
  5. Wirtschaftlich-technische Analyse

"Um die CO2-Neutralität zu erreichen, ist die Umstellung des Industriesystems auf grünen Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe wie SNG (synthetisches Methan/Erdgas) unumgänglich. Mit der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse können bisher unerreichbare Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Strom in einen chemischen Energieträger erreicht werden."

– Richard Schauperl –

Ergebnisse

Steigerung der Effizienz und der Leistungsdichte sowie Optimierung der Gesamtanlage und damit Reduktion der Investitionskosten

Verbesserung der Langzeitstabilität und Lebensdauer durch neue Anodenmaterialien und Optimierung der Anode-Elektrolyt-Grenzfläche

Pressestimmen

Projekt des Monats: Development of a stationary electricity storage system via high temperature co-electrolysis and catalytic methanation

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Richard Schauperl Profilbild

DI (FH) Richard Schauperl

Projektleitung

Richard Schauperl, derzeit Koordinator und Senior Lead Engineer für Brennstoffzellen Wasserstoffproduktion und Power to X, ist seit 1995 bei AVL in verschiedenen Funktionen tätig. Hr. Schauperl ist Mitglied einiger nationaler und europäischer Brennstoffzellen- und Wasserstoff-Initiativen wie z.B. Hydrogen Europe (Brüssel), VDMA und FVV (Frankfurt) oder A3PS (Wien). Hr. Schauperl vertritt AVL im Verein WIVA P&G (Wasserstoffinitiative Vorzeigeregion Austria Power & Gas). Seine Arbeiten mündeten zahlreiche Veröffentlichungen und 10 Patente im Bereich Brennstoffzellen und Elektrolyseure.

research@avl.com

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Klaus Töpfer

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Ausschreibungen

Finalisierte Projekte
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