Geschlossene Kreislaufwirtschaft im Energiepark der Zukunft

Spezial - Trends 2016

Power to x - In Barleben in Sachsen-Anhalt soll ein Energiepark entstehen, bei dem eine bestehende Biomethan-Anlage und ein BHKW in ein Power-to-Gas-Konzept eingebunden werden. Das bei der Biogas-Aufbereitung abgetrennte Kohlendioxid könnte in einem weiteren Schritt zu Methan oder Methanol umgewandelt werden.

30. November 2015

Ein Konzept macht fluktuierenden Strom aus Erneuerbaren speicherbar, schließt Stoff- und Energieströme und ermöglicht so eine nachhaltige, ökologisch und ökonomisch sinnvolle Kreislaufwirtschaft. Elektrolyseur und Biogasanlage bilden die Basis dieses Energieparks der Zukunft: Sie wandeln Windstrom in Wasserstoff, und Biomasse in Biogas um. Alle anfallenden Stoffe sowie Wärme und selbst Kohlendioxid werden vollständig genutzt.

Am Standort Barleben bei Magdeburg soll dieses bislang nur auf dem Papier existierende Konzept Realität werden. Entwickelt hat es die Abteilung Zukunftsenergien des Wiesbadener Unternehmens ABO Wind.

In Barleben hat der Projektierer 2012 eine Biogasanlage errichtet, die seitdem in Betrieb ist und zu Biomethan aufbereitetes Gas ins Erdgasnetz einspeist. Der Standort bietet optimale Voraussetzungen für das Pilotprojekt: Nicht nur die Biogasanlage, das Nahwärmenetz, die nötige Infrastruktur und die Einspeiseanlage sind vor Ort vorhanden, sondern auch das entsprechende Fachpersonal der Biogasanlage.

In der bestehenden Anlage werden größtenteils landwirtschaftliche Reststoffe durch Vergärung in Biogas umgewandelt mit einem Output von 45GWh jährlich. Dieses Rohbiogas besteht rund zur Hälfte aus Methan und zur anderen Hälfte aus CO2. Der restliche Gasanteil setzt sich aus unterschiedlichen Spurengasen zusammen.

Entschwefelt via Sauerstoff

Ein Blockheizkraftwerk mit einer Leistung von 600kWel wandelt einen Teil des Biogases in Strom und Wärme um. Der Strom wird ins öffentliche Netz gespeist, die Wärme ins örtliche Wärmenetz. Diese wird von einem nahe gelegenen Hotel genutzt.

Eine Aufbereitungsanlage reinigt den anderen Teil des Biogases und bereitet ihn zu Biomethan auf. Dazu entschwefelt die Anlage das Gas und trennt das Kohlendioxid ab, da nur reines Methan eingespeist werden darf. Danach wird es mit einer Kapazität von 375Nm3/h ins öffentliche Erdgasnetz eingespeist.

Die Entschwefelung erfolgt biologisch mit Bakterien, die den Schwefel mit Hilfe von Sauerstoff aus der Luft zu Schwefelsäure umwandeln. Der dafür benötigte Sauerstoff wird mit dem Druckwechselverfahren aus der Luft gewonnen.

Elektrolyseur nutzt Windenergie

Im Pilotprojekt soll künftig der Sauerstoff mit Hilfe eines Elektrolyseurs hergestellt werden. Dazu benötigt dieser eine Leistung von rund 60kW.

Wünschenswert wäre es, in der Nähe einen neuen Windpark zu errichten. Den Prognosefehlerstrom des Windparks kann dann der geplante Elektrolyseur nutzen, um Wasser in seine Bestandteile Wasser- und Sauerstoff aufzuspalten und ihn so speicher- und weiter nutzbar zu machen. Erste Vorplanungen sind derzeit im Gange.

Die relativ geringe Leistung des Elektrolyseurs kann überwiegend aus ›Überschussstrom‹ des geplanten Windparks mit 6 Windrädern von je 3MW Nennleistung betrieben werden. Sollte der Überschussstrom einmal nicht reichen, kommt der Strom aus dem Netz.

Der gleichzeitig im Elektrolyseur produzierte Wasserstoff kann dem Blockheizkraftwerk zugemischt oder zusammen mit dem aufbereiteten Biogas ins Erdgasnetz eingespeist werden. Windenergie wird also in Form von Wasserstoff im Erdgasnetz gespeichert.

Da der für die Aufbereitung des Biogases zu Biomethan benötigte Sauerstoffstrom relativ gering ist, fällt auch der produzierte Wasserstoffstrom gering aus. Dies stellt sicher, dass die zulässigen Wasserstoffkonzentrationen im Biomethan nicht überschritten werden.

Der Elektrolyseur produziert neben dem Sauerstoff und Wasserstoff auch Wärme. Diese lässt sich wiederum in das vorhandene Wärmenetz einspeisen. Der Elektrolyseur kann somit immer optimal betrieben werden. Diese Art der Integration schließt Stoff- und Energieströme. Das ermöglicht einen wirtschaftlicheren Betrieb von Elektrolyseur und Biogasanlage. Gleichzeitig fallen Investitions- und Betriebskosten der Druckwechselanlage zur Sauerstoffproduktion weg.

Rechnung zu Gestehungskosten

Die Wasserstoffgestehungskosten können dann beispielsweise wie folgt ausfallen: Angenommen die Investitionskosten für die Elektrolyse liegen bei 100.000€. Dann ergeben sich bei einem Strompreis von 0,08€/kWh und Betriebsstunden von 8.000h/a mit typischen Zinssätzen, Wartung- und Betriebskosten die Wasserstoffgestehungskosten zu 6,76€/kg.

Berücksichtigt man, dass die Druckwechselanlage ersetzt werden kann, können deren Kapital-, Wartungs- und Betriebskosten dem Elektrolyseur gutgeschrieben werden. Damit ergeben sich Gestehungskosten zu 4,96€/kg.

Noch günstiger kann der Wasserstoff erzeugt werden, wenn die Erlöse aus der erzeugten Wärme gutgeschrieben werden oder eine Prämie für grünen Wasserstoff erzielt wird.

Diese Wasserstoffgestehungskosten sind für eine energetische Nutzung zu hoch, aber durchaus attraktiv, um ihn im Bereich der Mobilität zu verwerten. Noch ist die Nachfrage nach grünem Wasserstoff für die Mobilität aufgrund der wenigen Wasserstofffahrzeuge gering. Dies soll sich aber in den nächsten Jahren ändern.

Zum anderen werden künftig die spezifischen Kosten eines Elektrolyseurs durch Skaleneffekte sinken. Auch die Stromkosten sinken, da die Einspeisevergütung sinkt und mit wachsendem Anteil der Erneuerbaren Strom aus dem Prognosefehler zunimmt.

Folgeprojekt Methanol-Produktion

In einem weiteren Schritt kann das im Rahmen der Biogas-Aufbereitung abgetrennte (Abfall-)Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan, Methanol oder anderen Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden. Das Methan ließe sich ins Erdgasnetz einspeisen. Die Abteilung Zukunftsenergien von ABO Wind will aber in einem Folgeprojekt die Umwandlung in Methanol betrachten und alle anderen Umwandlungspfade beleuchten.

Vergasung von Biomasse mit O

Flüssiges Methanol lässt sich Benzin und Diesel beimischen. Das hat den Vorteil, dass Investitionen in Wasserstoff-Infrastruktur und -Fahrzeuge gespart werden. Demgegenüber stehen die Investitionen in einen Methanolreaktor.

Um das gesamte Kohlendioxid umzuwandeln, wäre eine Elektrolyseurleistung von 5 bis 6MWel notwendig. So ein Elektrolyseur würde sehr viel mehr Sauerstoff produzieren, als für die Entschwefelung des Biogases nötig ist.

Daher untersucht das Unternehmen mit Partnern aus Forschung und Industrie die Vergasung von Biomasse mit reinem Sauerstoff. Hier entsteht ein wasserstoffreicheres Gas als bei der Vergasung mit Luft. Dieses kann im Blockheizkraftwerk verstromt werden oder auch zu Methanol weiterreagieren. Dabei soll Biomasse zum Einsatz kommen, die in einer Biogasanlage schwer oder gar nicht vergärbar ist. Das sind etwa Holzreste und Grünschnitt aus der Landschaftspflege. So entstehen auch für diesen Fall wieder Wertstoffe aus Wind und Abfall. Der Wind wird in Form einer Flüssigkeit mit hohem Energiegehalt speicherbar.

Geplant ist, den Ansatz in einem ersten Projekt mit dem kleinen Elektrolyseur, der Entschwefelungsanlage und einem entsprechend dimensionierten Vergaser zu erproben. Biomassevergaser mit Luft sind Stand der Technik, allerdings besteht noch erheblicher Forschungsbedarf bei der Vergasung mit Sauerstoff.

Weitere Herausforderungen an das Projekt bestehen darin, den Elektrolyseur und Vergaser in die Biogasanlage zu integrieren sowie die Gesamtanlage zu regeln. Da ABO Wind hier viel Neuland betritt, soll die Probeanlage mit Partnern entwickelt, gebaut und getestet werden. Auch kann das Unternehmen nicht alleine die Finanzierung stemmen und die Risiken tragen. Daher hat es einen Förderantrag beim Bundesministerium für Bildung und Forschung eingereicht.

Dr. Thomas Nietsch (ABO Wind)

Erschienen in Ausgabe: 10/2015