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Erneuerbares Methanol - Motivation, Technik und Ökonomie Aachen

innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018

1 Innogy SE

2 Energiewende und die Rolle erneuerbarer Energieträger

3 Methanol aus Strom

RWE hat das Unternehmen aufgespalten und eine innovative, dezentralisierte Energie-Gruppe gegründet

3

• RWE bleibt Hauptaktionär der innogy. • innogy mit einem klaren Fokus auf künftige Wachstumsthemen.

Handel

Konventionelle Energie

Netze

Erneuerbare Energie

Vertrieb

Innovation


innogy – Daten und Fakten

4

Unsere Konzernstruktur besteht aus drei Divisionen.

Erneuerbare Energien

Netz und Infrastruktur

• Deutschland

• Osteuropa

Vertrieb

• Deutschland

• Vereinigtes Königreich

• Niederlande/Belgien

• Osteuropa


Von null auf hundert innogy – Daten und Fakten

Segmente:

Netz und Infrastruktur

Erneuerbare Energien

Vertrieb


#1 5 × Nr. 1

Marktposition*

3,7 GW Kapazität erneuerbarer

Energie

Unser Verteilnetz verbindet über

16,5 Millionen Menschen (= Einwohnerzahl der

22 größten deutschen Städte)

5

1 Innogy SE



Energiesystem heute und Morgen

innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 7

Energiesystem 2015 Energiesystem der Zukunft

4%

29%

1% 12%

13%

40% 0%

13%

34%

23%

7%

24%

Andere

Erneuerbare

Öl

Gas

Nuklear

Kohle

Anteil in der Elektrizitätserzeugung

Primärenergieanteil

Quelle: AG Energiebilanzen

Deutschland nutzt im wesentlichen drei Hebel zur Reduktion der CO2-Emissionen


Werden diese Hebel ausreichen, um die Ziele zu erreichen?

Effizienz

Beispiele: Glühbirnenverbot, CO2-Flottenziele für Autobauer

CO2-armer Strom

Beispiele: Ausbau von Wind/PV

Elektrifizierung

Beispiele: Elektromobilität, Wärmepumpen

Ziele “80-95% wengier CO2 bis 2050”

“CO2-Neutralität bis zum Ende des Jahrhunderts”

Wissenschaftliche Studien zeigen verschiedene Szenarien um dieses Ziel zu erreichen


Stromerzeugung 2050 (TWh)

200

476545

557

266247 296

163174189

85% H2

1,155

128

85%

1,044

91

1,133

85% PtL/G

Photovoltaik

Wind onshore

Wind offshore

Flexible Erzeugung

1 Modell berechnet alle Energieflüsse für 8760 h/Jahr von 2015 bis 2050 Quelle: ESYS (2017)

Modellrahmen:

• Fokus auf Deutschland

• Deutschland als „Kupferplatte“

• Ökonomische Optimierung mit Emissionsreduktion als wesentliche Randbedingung unter Berücksichtigung einer sicheren Versorgung1

Robustes Ergebnis 1: Strombedarf wird steigen


521

800730

UBA (95%)

3,000

ESYS (85%)

1,100

Fh IWES (83%) Fh ISE (85%) Heute

Quellen: Umweltbundestamt, Fraunhofer ISE (2015), Fraunhofer IWES (2015), ESYS (2017), Umweltbundestamt (2013)

Strombedarf (TWh)

2015

2050

Studie (CO2-Minderungsziel 2050)

Robustes Ergebnis 2: Deutsche CO2-Ziele sind nur mit erneuerbaren Energieträgern erreichbar


500

0

1.500

1.000

-95%

2050 2010 2000 1990

Treibhausgasemissionen in Deutschland

in Mio. t CO2-Equivalente

Anwendungsfelder erneuerbare Energieträger

Gesicherte Leistung

Fossile Kraftstoffe sind keine Option zur Überbrückung der “Dunkelflaute”

Fernreiseverkehr (Luft, See, LKW)

Schwer zu elektrifizieren

Chemische Industrie

Fossile Energieträger können nicht als Rohmaterial verwendet werden

Quelle: Umweltbundesamt (2013), Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen 1990 – 2015, Interne Analyse

Verkehr

Energie

Landwirtschaft

Andere Industrieprozesse

Direkte Elektrifizierung wird durch erneuerbare Energie-träger unterstützt – auch in “elektrifizierbaren” Sektoren


Erneuerbarer Strom

Kraftstoffbasierte Energie

Ener

gien

utz

un

g d

urc

h

En

dve

rbra

uch

er

Zeit

Robustes Ergebnis 3: Erneuerbare Energieträger ermöglichen indirekte Sektorkopplung und reduzieren Systemkosten


BEI JEDEM KLUGEN HAUSVATER IST DER GRUNDSATZ, NIEMALS IM HAUSE ETWAS MACHEN ZU

LASSEN, WAS ER BILLIGER KAUFEN KANN.

Der Wohlstand der Nationen, Adam Smith (1723-1790)

Globale Herstellung reduziert Produktionskosten für erneuerbare Kraftstoffe signifikant fuels


ISLAND

Seetransport

Marokko

DEUTSCHLAND

Landtransport

Produktkosten (Cif ARA) [% Wind DE]1

1 Kostenvergleich für große Anlagen in naher Zukunft | Cif ARA: Methanolkosten in Rotterdamer Hafen 2 ÜS = “Überschussstrom”: Annahme Stromkosten von 0 €/MWh für die genannten Zeiträume pro Jahr

65

70

80

100

140

80

140

265

Wind Marrokko

Geoth. Island

PV Dubai

Wind DE

PV DE

ÜS (2000 h/a)

ÜS (1000 h/a)

ÜS (500 h/a)

-35%

Import von erneuerbaren Energieträgern kann CO2-Vermeidungskosten stark reduzieren


1 Kosten um CO2-Reduktionpfad von 75% auf 85% in 2050 zu erhöhen Quelle: ESYS (2017)

370

940

Ohne Import

-61%

Mit Import

Zusätzliche Kosten für CO2 Reduktion (Mrd. €)1

• Ergebnisse auf Basis erster Abschätzungen

• Systemeffekte des Imports von erneuerbaren Energieträgern sind noch nicht berücksichtigt

• Berücksichtigt keine weitere Reduktionen in Infrastrukturinvestitionen (z.B. Stromnetze)

1 Innogy SE



Erneuerbare Kraftstoffe werden aus Biomasse, Strom, Wasser (und einem Wasserstoffträger) hergestellt


Erneuerbarer Strom

Wasser

Elektro-lyse

Synthese

Wasserstoff

Methanol

Methan

CO2 oder N2 (als Wasserstoffträger)

Ammoniak

Syn. Benzin Syn. Diesel (OME) Syn. Flugkraft- stoff

Biomasse

Wasserstoff

Erneuerbare Kraftstoffe sind CO2-neutral: Die gleiche Mengen CO2 werden bei der Herstellung gespeichert und bei der Verwendung emittiert

Methanol als grüner Energieträger …


… hat sehr günstige Verwendungseigenschaften …

… und kann unmittelbar den CO2-Ausstoß in der Industrie senken

Die Eigenschaften von grünem Methanol ermöglichen nicht nur die Verwendung in der Industrie, sondern auch in neu entstehenden Anwendungen in Privathaushalten und der Mobilität.

• Methanol ist ein wichtiger Grundstoff für die chemische Industrie zur Herstellung von Farben, Lösungsmitteln und Kunststoffen

• Die weltweite Nachfrage nach Methanol beträgt 65 Mio. t, davon ca. 7 Mio. t in Deutschland

• Die chemische Industrie verarbeitet täglich 700.000 t Methanol

Einfaches Handling

• Methanol steht bei Standardbedingungen in flüssiger Form zur Verfügung

Hohe Speicherdichte

• Im Vergleich zu den bislang diskutierten Energieträgern Wasserstoff und Methan bietet Methanol eine hohe volume- trische Energiedichte

Projekt „greenfuel“ - Video

Link: https://www.youtube.com/watch?v=HkUUv56mhqY

15_innogy_GreenFuel_DE_RETIMED_DE_Subs.mp4

https://www.youtube.com/watch?v=HkUUv56mhqY




Project greenfuel

Tankstelle

Auto

Privathaushalt

Wasserkraftwerk

Methanolerzeugung Transport

MS innogy

Erstmalige Demonstration der gesamten Wert-schöpfungskette von Methanol in Essen

• „greenfuel“ ist Teil der Grünen Hauptstadt Essen 2017

• Alle Stationen werden im Essener Stadtgebiet erlebbar gemacht

• Die erstmalige Demonstration der gesamten Wertschöpfungskette eines flüssigen, erneuerbaren Energieträgers ist eine Weltpremiere

21

“Luft + Wasser + Strom = Methanol” – Die Erzeugung von grünen Methanol erfolgt direkt am Baldeneysee


Project greenfuel

CO2 aus der Luft

Grüner Strom aus dem Kraftwerk Baldeneysee

Grünes Methanol

• Klimaneutral • einfache Handhabung • vielseitig nutzbar • wichtiger Grundstoff für chemische

Industrie

Water

• Methanolerzeugung mit Hilfe einer sogenannten „elektro-biokatalytischen Methanolsynthese“

• Standort der Anlage am Wasserkraftwerk Baldeneysee

• Inbetriebnahme am 2. Juli 2017 als Teil der KlimaExpo

“Luft + Wasser + Strom = Methanol” – Die Erzeugung von grünen Methanol erfolgt direkt am Baldeneysee


Bioreaktoren

Methanolbehälter

CO2-Abscheider

Schematischer Abbau einer Power-to-Methanol-Großanlage


Elektrolyse

CO2 Abtrennung

Synthese

Wasser

Strom

Methanol

Wasserstoff

CO2

Wasser

Destillation

Drei technische Verfahren werden derzeit zur Wasserspaltung eingesetzt


Bildquelle: DLR

Alkalisch PEM Dampfelektrolyse

Drei technische Verfahren werden derzeit zur Wasserspaltung eingesetzt


Quelle: DLR, FVEE

Alkalisch PEM Hochtemperatur

Temperatur 80-120 °C ~120 °C ~900 °C

Druck 15-30 bar 30 bar 20 bar

Effizienz 65-75% 70-75% 90%

Investitionskosten Gering - mittel mittel hoch

Vorteile Erprobte Technik Teillastverhalten Hohe Effizienz

Herausforderungen Gasaufreinigung Teillast

Junge Technologie Katalysatoren aus Edelmetallen

Start-Stopp-Verhalten Investitionskosten

Es existieren zwei Quellen für die Bereitstellung von CO2


CO2 Abscheidung aus der Luft CO2 Abscheidung aus Punktquellen

Fotoquelle: CarbonCaptureJournal, Climeworks

Punktquelle ist aufgrund der höheren CO2-Konzentration energieeffizienter


Punktquelle Aus der Luft

CO2-Konzentration 3-99 vol% 400 ppm (0,04 vol%)

Wärmebedarf <40% 1.500-2000 kWh/t

Strombedarf <40% 150-300 kWh/t

Investitionskosten Gering - mittel Hoch

Vorteile Erprobte Technik Energieeffizienz Unbegrenzt verfügbar (Biomasse)

Unbegrenzt verfügbar

Herausforderungen Inputgaszusammensetzungen Junge Technologie Haltbarkeit Absorber

Quelle: Climeworks, Bains (2017)

Der positive Klimaeffekt von PtX ist unabhängig von der CO2-Quelle

innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 29 Status Quo

CO2

CO2

SynFuel

PtX

CO2

PtX

= • PtX reduziert NICHT den CO2-Ausstoß der Industrieanlage

• CO2 wird durch den verminderten Einsatz von fosilen Kraftstoff eingespart

• Beide CO2-Quellen haben den gleichen Klimaeffekt

Methanolsynthese und -destillation


Chemische Reaktionen

CO + 2 H2 ↔ CH3OH; ΔH(300K) = -90,8 kJ/mol

CO2 + 3 H2 ↔ CH3OH + H2O; ΔH(300K) = -49,6 kJ/mol

• Großtechnische Anlagen nutzen heute Synthesegas bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff

• Die Nutzung von CO2 setzt eine Nutzung von CO2 direkt oder eine CO2-Konversion zu CO voraus

• Nach der Synthese werden die Syntheseprodukte voneinander getrennt und entsprechend weiter verarbeitet

• Genaue Systemzusammensetzung ist von Inputgasen und Anlagenhersteller abhängig

Bildquelle: wikipedia

Technologiestatus: Erste Demonstrationsanlage wird seit 2012 betrieben


Bildquelle: Carbon Recycling International | Quelle: Carbon Recycling International |1 5 l/100km, und 15.000 km/a

Produziert ausreichend Kraftstoff für ca. 3.600 PKW1

4,000 t/a Methanol

6,000 t/a CO2

6 MWel Elektrolyse

George Olah Plant von Carbon Recycling International Weltweit erste CO2 basierte Methanolanlage in Svartsengi, Island

.

Anlagendimensionen für eine kommerzielle Power-to-Methanolanlage


Anlagegröße:

• 100 MW Elektrolyse

Gesamtflächenverbrauch

• -> 30.000 m², ca. 4 Fußballfelder, davon

• 25% für Elektrolyse

• 25% Wasseraufbereitung und Produktspeicher

• 25% sonstige Anlagen

• 25% Infrastruktur (Wege)

Wasserelektrolyse

CO2 Abscheidung

(Industrie-abgas)

Kompressoren Methanol-

synthese & -aufreinigung Ko

ntr

oll-

zen

tru

m

Speicher Wasseraufbereitung

16

0 m

200 m

CO2 aus der Luft (Stand heute)


Bildquelle: climeworks.com| Quelle: climeworks.com

• 36 Kollektoren

• 4920 kg/Tag

• 180 m²

• Für 100 MW Elektrolyse

• 15000 kg/h

• -> 73 Anlagen a 36 Kollektoren

• -> 2634 Kollektoren

• -> 13140 m², ca. 2 Fußballfelder

Synthetische Kraftstoffe werden langfristig teurer als konventionelle Kraftstoffe bleiben


Quelle: Frontier Economics (Agora Energiewende 2018)

• Erneuerbare Kraftstoffe werden längerfristig teurer als fossile Kraftstoffe sein

• Regulatorische Berücksichtigung der CO2-Emissionen ist zwingend erforderlich

Strom ist der wesentliche Kostentreiber für PtX-Produkte


Quelle: Frontier Economics (Agora Energiewende 2018)

Weitere Kosten

• CO2-Kosten stehen für ca. 10-15% der Kosten

• Kosten für die Bereitstellung von Wasser (Meerwasser-entsalzung) sind vernachlässigbar

Kleine Anlagen werden derzeit an verschiedenen Stellen erforscht und umgesetzt


Quellen: FIW Aachen, Ineratec, Soletair, Silicon Fire

Soletair WaStraK

• Demonstrationsanlage zur Herstellung von Fischer-Tropsch-Produkten nutzt CO2 aus der Luft

• Produktionsleistung: 80 l/Tag (ca. 20 t/Jahr)

• Herstellung von Methanol aus Faulgasen einer Kläranlage

• Potenzielle Einspeisung von Wasserstoff aus Elektrolyse

Silicon Fire

• Containerbasierte Herstellung von Methanol aus CO2 und Strom

• Produktionsleistung: 50 l/Tag


Erneuerbare, chemische Energieträger werden eine wichtige Rolle im zukünftigen Energiesystem spielen.

Der Import von chemischen Energieträgern wird die Energiewendekosten stark reduzieren.

“Überschussstrom” wird nicht ausreichen die Nachfrage nach chemischen Energieträgern zu decken.

Methanol kann schon heute aus erneuerbarem Strom hergestellt werden. Es fehlt der regulatorische Rahmen.

Zusammenfassung

37


Kontaktdaten

Stephan Stollenwerk

Energiesysteme, -märkte und -speicher

[email protected]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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Bildquellenverzeichnis


Vortragsseite Link zur Bildquelle

Seite 25 http://elib.dlr.de/75764/1/Wasserelektrolyse_Ulmer_Gespr%C3%A4ch_3.5.2012_GS.pdf

Seite 27 http://www.climeworks.com/our-technology/ http://www.carboncapturejournal.com/images/rm2.gif

Seite 30 https://de.wikipedia.org/wiki/Methanolherstellung

Seite 31 http://carbonrecycling.is/george-olah/

Seite 33 http://www.climeworks.com/our-products/

Seite 36 https://www.kit.edu/kit/pi_2017_103_power-to-liquid-200-liter-sprit-aus-solarstrom-und-dem-kohlenstoffdioxid-der-umgebungsluft.php https://www.lanuv.nrw.de/fileadmin/forschung/wasser/klaeranlage_abwasser/WaStraK_Abschlussbericht_Teil%202.pdf http://www.silicon-fire.com/pdf/BWK200009075078.pdf

http://elib.dlr.de/75764/1/Wasserelektrolyse_Ulmer_Gespr%C3%A4ch_3.5.2012_GS.pdf

http://www.climeworks.com/our-technology/



http://www.carboncapturejournal.com/images/rm2.gif

https://de.wikipedia.org/wiki/Methanolherstellung

http://carbonrecycling.is/george-olah/



http://www.climeworks.com/our-products/



https://www.kit.edu/kit/pi_2017_103_power-to-liquid-200-liter-sprit-aus-solarstrom-und-dem-kohlenstoffdioxid-der-umgebungsluft.php


























https://www.lanuv.nrw.de/fileadmin/forschung/wasser/klaeranlage_abwasser/WaStraK_Abschlussbericht_Teil 2.pdf

http://www.silicon-fire.com/pdf/BWK200009075078.pdf



Quellen


Studie/ Quelle Link/ Name der Studie

AG Energiebilanzen https://www.ag-energiebilanzen.de/

ESYS (2017) https://energiesysteme-zukunft.de/publikationen/analyse/sektorkopplung/

Fraunhofer ISE (2015) Was kostet die Energiewende

Fraunhofer IWES (2015) Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr

Umweltbundestamt (2013) Treibhausneutrales Deutschland in Jahr 2050

Frontier Economics (2018) Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe

FVEE http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2012-2/th2012_07_04.pdf

Bains (2017) CO2 capture from the industry sector

https://www.ag-energiebilanzen.de/



https://energiesysteme-zukunft.de/publikationen/analyse/sektorkopplung/



http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2012-2/th2012_07_04.pdf



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