Verbundprojekt "Erneuerbare Energieträger zur Stromerzeugung"

Die Schweizer Regierung hat das Pariser Klimaabkommen unterzeichnet, wonach Massnahmen umzusetzen sind, um bis 2030 eine Reduktion der CO2-Emissionen in der Schweiz um 50 Prozent gegenüber 1990 zu erreichen. Die Zementproduktion ist in der Schweiz für den Ausstoss von rund 2,5 Millionen Tonnen CO2 verantwortlich, was rund 7 Prozent der landesweiten jährlichen CO2-Emissionen entspricht. In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie dieses CO2 – hauptsächlich unvermeidbares geogenes CO2 aus Kalkstein – so genutzt werden kann, dass durch eine CO2-Methanisierung eine neue Wertschöpfungskette entsteht, die dazu beiträgt, den Verbrauch und Import von fossilen Brennstoffen in der Schweiz zu reduzieren. Mit der Power-to-Gas-Technologie kann dieses CO2 zusammen mit erneuerbarem Wasserstoff aus Solar-to-Fuel-Technologien in erneuerbares synthetisches Methan umgewandelt, in das bestehende Erdgasnetz eingespeist und durch Brennstoffzelltechnologien genutzt werden.

Ziel dieses Verbundprojekts war die technische Evaluation einer Wertschöpfungskette für die Umwandlung der gesamten 2,5 Millionen Tonnen des durch die Zementherstellung freigesetzten CO2, so dass fossile CH4-Importe ersetzt und die damit verbundenen CO2-Emissionen verringert werden können. Erreicht wird dies durch die Produktion von H2 mittels photoelektrochemischer Wasserspaltung (PEC) und die anschliessende Umwandlung durch eine sorptionsgestützte CO2-Methanisierung. Sowohl H2 als auch CH4 finden in SOFC- und PEM-Brennstoffzellen Verwendung.

Das Verbundprojekt beinhaltet vier innovative Ansätze im Bereich der Materialforschung und Modellierung mit dem Ziel einer CO2-sparenden Wertschöpfungskette für die Energieproduktion. Innerhalb dieser Wertschöpfungskette werden effizientere, langlebigere und kostengünstigere Technologien untersucht, um CO2 zu reduzieren und wiederzuverwenden.

• Ein Cu2O-basiertes HIT-Tandem-PEC-System wies einen Wirkungsgrad von 8,8 Prozent für den Solar-zu-Wasserstoff-Prozess auf, was es bei Weitem zum effizientesten ausschliesslich oxidbasierten unverzerrten Tandemsystem macht. Es wurde eine Stabilität während 100 Stunden mit weniger als 10 Prozent Degradation bei einem nanostrukturierten radialen p-n-Übergang erreicht.
• Ein sorptionsgestützter
  CO2-Methanisierungskatalysator zeigte eine bahnbrechende 100-prozentige CO2 zu-CH4-Umwandlung bei stöchiometrischen Bedingungen und 300°C und erreichte so ein neues Level von Effizienz und Suffizienz in Bezug auf das kostentreibende H2. Die Betriebszeit des Katalysatorkonzepts wurde durch eine optimierte Träger-Katalysator-Interaktion um 300 Prozent gesteigert.
• Es wurden neuartige Simulationsmodelle entwickelt, die dazu dienen, die Transportverluste in den Gasdiffusionsschichten (GDL) zu reduzieren und gekoppelte Übertragungsprozesse bei
  PEM-Brennstoffzellen zu simulieren, wie zum Beispiel den Transport von Gaskomponenten, flüssigem Wasser, Wärme und Ladung in GDL. Die Simulationssoftware ist für Industrie und Forschung erhältlich.
• Ein spezielles Perowskit-Anodenmaterial ((La,Sr)Ti0.95Ni0.05O3-d) für kombinierte Wärme-und-Strom-SOFC-Technologie bietet eine innovative und hervorragende Funktionalität: eine katalytische und mikrostrukturelle Selbstregeneration. Nach einer starken Degradation, d. h. Partikelwachstum und H2S-Vergiftung, regeneriert sich das Material nach Redoxzyklierung vollständig und bietet unversehrte, nanostrukturierte Ni-Bereiche. Es weist dieselbe Aktivität wie herkömmliche Anodenmaterialien auf, aber mit 90 Prozent weniger Ni.

Im Rahmen eines Technologie-Assessments wurde eine Kostenschätzung für CO2 aus Zementproduktion erstellt. Berücksichtigt wurden die heute reifen und verfügbaren Technologien (Photovoltaik, alkalische Elektrolyse AEL, CO2-Methanisierung). Es zeigte sich, dass die gesamten 2,5 Millionen Tonnen CO2 aus der Schweizer Zementproduktion in erneuerbares Methan konvertiert werden könnten. Dieses Methan würde 33 Prozent der fossilen Gasimporte ersetzen!

Unter Berücksichtigung der zusätzlichen CO2-Einsparungen durch die Integration effizienterer Brennstoffzellen in das Energienetz könnten mit einem Heizsystem für Privathaushalte, das vorwiegend auf Brennstoffzellen basiert, gegenüber herkömmlichen Systemen 50 Prozent der CO2-Emissionen eingespart werden. Allerdings ist die H2-Produktion mit rund 90 Prozent der Kosten der mit Abstand teuerste Produktionsschritt in der Wertschöpfungskette. Deshalb kostet erneuerbares Methan derzeit rund dreimal mehr als fossiles Methan. Damit erneuerbares Methan konkurrenzfähig wird, müssen entweder Photovoltaik und Elektrolyseverfahren oder photoelektrochemische Zellen (PEC) billiger werden. Die sorptionsgestützte CO2-Methanisierung wird dank einer um 25 Prozent höheren Effizienz und Suffizienz für H2 einen substanziellen ökonomischen Vorteil bringen.

Bedeutung für die Forschung

Die wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse basieren auf neuartigen, innovativen Konzepten, die für die Elektrochemie, Katalyse und Modellierung der Energieumwandlung bahnbrechend sind. Die Übertragung dieser Erkenntnisse auf andere Forschungsgebiete wird diese Disziplinen vorantreiben und bereichern. Das Projekt hat gezeigt, dass Katalysatorsysteme regenerierbar sind und diese ihre katalytische Leistung sowie ihre Unversehrtheit und hohe Dispergierung auch nach starker Degradation wiedererlangen können. Zudem werden Umwandlungsraten von 100 Prozent und damit eine Überwindung der «thermodynamischen Grenzen» durch sorptionsgestützte CO2-Methanisierung den Weg ebnen, so dass "Power-to-X"-Konzepte in neue Dimensionen vorstossen. Einen weiteren wissenschaftlichen Fortschritt bedeutet die Übertragung von PEM-Brennstoffzellen-Modellen zum Transport von Gas, flüssigem Wasser, Wärme und Ladung auf die Wasserelektrolyse, eine Schüsseltechnologie im erneuerbaren Energiesystem der Zukunft. Die PEC-Technologie ist noch nicht marktreif, kann jedoch beeindruckende Leistungssteigerungen vorweisen. Die Materialstabilität in einer so komplexen Schichtstruktur muss aber noch wissenschaftlich untersucht und verbessert werden.

Damit werden die wegweisenden wissenschaftlichen Beiträge im Rahmen dieses Verbundprojekts auch andere Forschungsgruppen und Disziplinen anregen, Effizienzsteigerungen, Leistungsoptimierungen und längere Betriebszeiten im wichtigen Bereich der Reduktion der CO2-Emission und der Wiederverwendung von CO2 zu erreichen.

Bedeutung für die Praxis

Mit dem Verbundprojekt wurden wissenschaftliche und weitgehend auch praktische Erkenntnisse gewonnen, die direkt übertragbar sind (PEM) oder sogar bereits auf eine für die Industrie relevantere Stufe gehoben werden (SOFC und CO2). Dank des breiten Themenspektrums, das in den einzelnen Subprojekten behandelt wurde (PEC, CO2, PEM, SOFC), kann eine ganze Reihe von Akteuren und Interessengruppen in der Praxis von den erfolgreichen Implementierungen der relevanten Technologien und der Nachhaltigkeitsbeurteilung profitieren:

• Politik und Wirtschaft
• CO2-emittierende Industrien
• Gasversorger und Betreiber von Erdgasnetzen
• Brennstoffzellen-Industrie
• Endverbraucher

Der Technologietransfer hat bereits begonnen, insbesondere für Technologien wie PEM, SOFC und CO2-Methanisierung, da die Subprojekte auch einen grossen Anteil von praktischem Wissen generierten. Direkte Effekte auf Alltagsanwendungen sind:

• CO2-Methanisierungskatalysatoren werden derzeit in einer Hocheffizienz-Demonstrationsanlage in der Schweiz implementiert (CO2-Wiederverwendung zur CO2-Reduktion).
• Ein neuartiges Katalysatorenkonzept für SOFC bietet ein zuverlässigeres, für Privathaushalte wirtschaftlich attraktiveres System – dank weniger CO2-Emissionen und einer längeren Lebensdauer mit reduziertem Ressourcenverbrauch (CO2-Einsparungen).
• Die kritischen Betriebsbedingungen von PEM-Brennstoffzellen wurden verbessert, was sich auf die Entscheidung auswirken kann, ob ein Auto mit Brennstoffzellen oder eines mit Verbrennungsmotor gekauft wird (CO2-Einsparungen).

Reduction & reuse of CO2: renewable fuels for efficient electricity production

Zu diesem Verbund gehören folgende fünf Forschungsprojekte

Catalytic methanation of industrially-derived CO2

• Dr. Andreas Borgschulte, Departement Mobilität, Energie und Umwelt, EMPA Dübendorf

Renewable Hydrogen Production through Photoelectrochemical (PEC) Water Splitting

• Prof. Anders Hagfeldt, Laboratoire de photonique et interfaces, EPF Lausanne; Prof. Jürgen Schumacher

Smart materials concept for SOFC anodes: Self-regenerating catalysts for efficient energy production from renewable fuels

• Dr. Andre Heel, Institute of Materials and Process Engineering, ZHAW Winterthur

Designing multifunctional materials for proton exchange membrane fuel cells

• Prof. Jürgen Schumacher, Institute of Computational Physics, ZHAW Winterthur; Dr. Felix Büchi

Sustainability assessment of the CO2 methanation value chain: environmental impacts and socio-economic drivers and barriers

• Vicente Carabias, Institut für Nachhaltige Entwicklung, ZHAW Winterthur; Dr. Silvia Ulli-Beer; Dr. Christian Zipper