Umwandlung von erneuerbarem Überschussstrom in Bio

DGMK-Tagung “Konversion von Biomassen und Kohlen”
9.-11. Mai 2016 in Rotenburg a.d.F.
Umwandlung von erneuerbarem Überschussstrom in Bio-Methanol durch
Zugabe von Wasserstoff in einer holzbasierten Methanolanlage
T. Schulzke, C. Unger
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Oberhausen
Abstract
Power-to-X-Anlagen konvertieren überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen
im allg. zunächst per Elektrolyse in Wasserstoff und diesen dann anschließend mit CO2 aus
einer geeigneten Quelle in das gewünschte Zielprodukt. Insbesondere für die Erzeugung
von Methan haben sich Biogasanlagen mit Gasreinigung zur Einspeisung ins Erdgasnetz als
bevorzugte CO2-Quelle im einstelligen Megawatt-Bereich etabliert. Nachteil dieser alleine
stehenden PtX-Anlagen ist die Tatsache, dass sie nur für relativ kurze Zeiten mit Überschussstrom betrieben werden und ansonsten still stehen. Der Synthesereaktor muss daher
in der Lage sein, in möglichst kurzer Zeit aus kaltem Zustand zur vollen Leistung hochzufahren, was Material und Katalysator sehr belastet. Alternativ kann der Reaktor zumindest
auf Synthesetemperatur warm gehalten werden, was zu vermehrten Verlusten führt.
Das Synthesegas aus der thermischen Umwandlung von holzartiger Biomasse kann zur
Herstellung von Methan oder flüssigen Energieträgern wie beispielsweise Methanol oder
Benzin genutzt werden. Während es für BtG-Prozesse eine erste Demonstrationsanlage im
industriellen Maßstab in Göteborg gibt, haben sich BtL-Anlagen noch nicht in diese Größenordnung vorarbeiten können. Aufgrund der elementaren Zusammensetzung von Holz, die
mit CH1,44O0,66 näherungsweise angegeben werden kann, ist die Herstellung von Kohlenwasserstoffen immer defizitär in Wasserstoff, was die gekoppelte Freisetzung von CO2 im
Laufe des Prozesses erzwingt. Für Methanol gilt beispielsweise:
CH1,44O0,66 + 0,49 O2 ↔ 0,36 CH3OH + 064 CO2
Das bedeutet, dass alleine aufgrund der Stöchiometrie bestenfalls 36 % des Kohlenstoffs
aus der Biomasse letztlich im Zielprodukt enthalten sind.
Werden beide Anlagen kombiniert, ergeben sich verschiedene Synergien: das CO2 aus der
BtL-Anlage wird in der BtL-Anlage mit dem Wasserstoff aus der PtL-Anlage umgesetzt. Es
wird kein zusätzlicher Synthesereaktor benötigt und der vorhandene Synthesereaktor muss
nur eine vergleichsweise geringe Dynamik aufweisen (beispielsweise eine Regelbreite von
1:2). Dadurch wird die Betriebsführung der PtL-Anlage erheblich vereinfacht und in Zeiten
der Wasserstoffeinspeisung die Kohlenstoffeffizienz der BtL-Anlage signifikant erhöht. Am
Beispiel der geplanten Demonstrationsanlage VärmlandsMetanol lässt sich das Potenzial
dieser Kopplung auch zahlenmäßig verdeutlichen: Aus täglich 1.100 t Waldrestholz sollen
296 t/d Methanol gekoppelt mit 723 t/d CO2 entstehen. Eine Verdopplung der Reaktorkapazität auf 592 t/d Methanol erfordert eine Elektrolyseanlage von rund 120 MW elektrischer Leistung und würde 408 t/d CO2 umwandeln. Diese Zahlen zeigen, dass damit eine
Netzdienstleistung durch PtL nicht mehr auf das örtliche Verteilnetz beschränkt ist, sondern
auf das Übertragungsnetz ausgeweitet werden kann.

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