High Efficiency Power-to-Methane Pilot – HEPP

Hocheffizienz mit technischen Innovationen

Mit technischen Innovationen wollen die Fachleute am IET Institut für Energietechnik den Technologiereifegrad der Power-to-Methane-Technologie erhöhen und im kleinen Massstab in einem realen Umfeld demonstrieren. Die Innovationen in diesem Projekt beziehen sich auf die Effizienz, so dass sich die Wirtschaftlichkeit der Technologie erhöht und die Umweltbelastung des produzierten Methans gesenkt wird. Es werden industriell relevante Fragestellungen beantwortet, so dass eine Übertragung der Technologie auf eine Grossanlage mit einem Wirkungsgrad von 70% ermöglicht wird.

Kernelement im Projekt HEPP ist eine 10 kW Demonstrationsanlage, die in Rapperswil aufgebaut wird. Die Konzeption der Anlage umfasst eine Hochtemperatur-Elektrolyse und ein integriertes Wärme-Management. Zusätzlich werden im Projekt innovative und in der Schweiz entwickelte Technologien zum ersten Mal integriert und das Systemverhalten untersucht.

"Die Demonstrationsanlage wurde im Herbst 2018 eingeweiht und seither 1'200 Besuchenden in Rahmen von Führungen gezeigt. Die aktuellen Projekte laufen bis Mitte 2021. Die Aktivitäten des IET werden im Bereich Power-to-X auf andere Themen ausgedehnt und weitere Projekte werden auf der Anlage entwickelt. Anfragen für Führungen senden Sie bitte an folgende email Adresse: besuch-ptx(at)ost.ch

Auf der HEPP-Anlage (High Efficiency Power-to-Methane Pilot) betreibt das IET Institut für Energietechnik Forschung und Entwicklung im Bereich Power-to-Gas, Power-to-X.

2017 startete das Power-to-Gas Team mit viel Pioniergeist in dieses Projekt. Heute, fast vier Jahre nach der ersten Konzeptidee ist der Pioniergeist bei uns auf der HEPP-Anlage immer noch präsent, nur die Pionierromantik wurde zu Teil vom Alltag eingeholt. Konkret, die HEPP-Anlage ist nun mehr als zwei Jahre alt, es stehen Wartungs- und Unterhaltsarbeiten an. Seit anfangs 2021 wir die Anlange systematisch zerlegt, Verschleissteile ersetzt, Messgeräte eingeschickt und neu kalibriert. Diese Wartungs- und Unterhaltsarbeiten führen wir einerseits durch damit die HEPP in einwandfreiem Zustand ist und wir weiterhin Forschung damit betreiben können und andererseits damit wir belastbare Messwerte erhalten. Wir leben natürlich wie jeder Forscher nach dem Grundsatz: Wer misst, misst Mist. Durch das Überprüfen der Messgeräte versuchen wir den proportionalen Mist-Anteil signifikant zu reduzieren.

Die Arbeiten kommen trotz gewisser Lieferverzögerungen von eingeschicktem Equipment gut voran, so dass die HEPP-Anlage im März wieder für Forschung genutzt werden kann.

Anekdote:
Die Forschungsanlege ist sehr kompakt gebaut (umgebaut/ erweitert worden), dies hat dazu geführt, dass wir nicht mehr überall mit dem Gabelschlüssel hingekommen sind. Eine der Wartungstätigkeiten war das nachziehen der Sitzpackung bei unseren Kugelhähnen. Dafür mussten wir diverse Gabelschlüssel in der Mitte halbieren,... Kommentar unserer Werkstatt: "Seit ihr sicher dass ihr das schöne Werkzeug zerstören wollt?".

Fazit: Die Gabelschlüssel sind halbiert und die Sitzpackungen nachgezogen.

Vor den Wartungs- und Unterhaltsarbeiten konnten wir erste kleine Erfolge im Bereich der Sorption Enhanced Methanation (SEM) erzielen. Bei der SEM handelt es sich auch um eine katalytische Methanisierung mit einem besonderen Katalysator, der auf ein Zeolit aufgetragen ist. Konventionelle Methanisierungs-Katalysatoren haben meistens reines Aluminiumoxid als Trägermaterial. Dank der Eigenschaften des Zeoliths, erhält man mit diesem speziellen SEM-Katalysator, reines und trockenes Methan am Reaktoraustritt.

Die SEM-Technologie wurde Breits ausgiebig in den UMTEC-Laboren erprobt, dennoch war die Integration dieser Technologie in die HEPP-Anlage nicht ganz trivial. Die Herausforderung war die Skalierung der Gasflüsse von "Mikro zu Mini". Das Lösungswort für diese Herausforderung war Bypass. Wir haben an verschiedenen Stellen in der HEPP-Anlage Bypasses installiert. So war es uns möglich den UMTEC-SEM-Reaktor mit Mikro-Gasflüssen in die HEPP-Anlage mit Mini-Gasflüssen zu integrieren. Mit diesem Schritt ist es uns möglich ein Betriebskonzept für eine Power-to-Gas Anlage mit SEM-Katalysator zu testen, was im Labormassstab nicht möglich war. Die Versuchsreihe, die im März/April geplant ist, soll die Design-Grundlagen für SEM-Reaktor-System liefern, welches eine Methanproduktionskapazität von 0.5 – 1 Nm³/h hat. Dies entspricht einem 200 bis 400-Fachen Scale-Up der Methanproduktionskapazität gegenüber des Labormassstabes.

Anekdote:
Die "Bierdeckel-Rechnung" ist ein pragmatisches Werkzeug welches sehr gerne an den Fachhochschulen für angewandte Wissenschaft eingesetzt wird. Bei diesem Werkzeug ist aber auf den Popeye-Fehler zu achten. Wie beim Spinat ist die Kommastelle auch bei umrechnen von Einheiten relevant, z.B. dass aus "ml/min" nicht plötzlich "Liter/min" werden.

Fazit: Das Vieraugenprinzip auch bei "Bierdeckel-Rechnung" anwenden.

Eines der zentralen Ziele, welches das IET Institut für Energietechnik mit der HEPP-Anlage verfolgt ist die Wirkungsgradsteigerung der gesamten Power-to-Gas Anlage. Diese soll durch Kopplung der Reaktorabwärme mit einer Hochtemperatur Elektrolyse (SOEC: Solid oxide electrolyzer cell) erreicht werden. Ein erstes Zwischenziel konnte hier bereits erreicht werden, eine erste Wirkungsgradanalyse der HEPP-Anlage mit der PEM-Elektrolyse. Damit das Hauptziel erreicht werden kann, arbeitet das IET-Power-to-Gas Team eng mit der EPFL in Sion zusammen. Die Teams arbeiten an der Mehrstufigen Inbetriebnahme der Hochtemperatur Elektrolyse, damit die Kopplung der Methanisierung und der SOEC möglichst reibungslos verläuft.

Ausblick
In den nächsten IET News wird noch ausführlich über die Kopplung der SOEC und der katalytischen Methanisierung berichtet.