Power-to-Transport

Wir wollen den Verbrauch fossiler Brennstoffe im öffentlichen Nahverkehr, insbesondere bei Bussen, reduzieren.

Problemstellung (aus dem Projektantrag)

Der Bedarf an Energiespeichersystemen wurde im Zusammenhang mit dem zunehmenden Anteil der variablen erneuerbaren Energien am Energiemix vieler Länder diskutiert. Während einige Regionen schon früher mit Ungleichgewichten in ihren Stromnetzen konfrontiert waren, waren andere Regionen aufgrund der langsameren Einführung von Wind- und Solarenergie weniger belastet. Die Region Uppsala hat sich verpflichtet, ihre Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor zu reduzieren, und führt daher ein Demonstrationsprojekt mit Elektrobussen durch, die mit PV-Solarzellen betrieben werden. Diese innovative Umsetzung erfordert Maßnahmen, um die PV-Solarproduktion mit der Nachfrage der öffentlichen Busse in Einklang zu bringen. Die vom Konsortium vorgesehene praktikabelste Alternative ist eine kombinierte Lösung auf der Grundlage eines Batterie- und Power-to-Gas-Systems. Dieses Konzept bietet mehrere Synergien mit regionalen erneuerbaren Ressourcen, nämlich (a) die PV-Solarproduktion würde entsprechend der Nachfrage der Elektrobusse ausgeglichen; (b) H₂-Anteile könnten direkt mit CH₄ gemischt werden, um auf der Grundlage der derzeit lokal verfügbaren Technologie als Kraftstoff verwendet zu werden; (c) überschüssiges H₂ könnte methanisiert werden, um zusätzliches CH₄ zu erzeugen. In diesem Fall würde das CO₂ aus den örtlichen Biogasanlagen im Rahmen eines Konzepts zur Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU) zurückgewonnen; (d) PV-Solarstrom in Kombination mit Strom aus dem Stromnetz in Schwachlastzeiten könnte für eine spätere Nutzung gespeichert werden; (e) Abwärme aus den Elektrolyseuren könnte in das örtliche Fernwärmesystem integriert werden, und (f) O2 aus dem Elektrolyseur könnte in der örtlichen Kläranlage verwendet werden, wodurch der Stromverbrauch während der Belüftung des Belebtschlammverfahrens gesenkt würde.

Fallstudie in Uppala

Im Rahmen des Projekts sollen die Stromspeicherung mit Batterien, die Umwandlung in E-Methan durch Elektrolyse von Wasser und die Methanisierung von H2 an einem Busbahnhof untersucht werden, um die Nutzung des variabel erzeugten Stroms aus Photovoltaikzellen in einem Verkehrssystem mit Elektro- und Gasfahrzeugen zu optimieren. Es werden spezifische Methoden und Modelle für techno-ökonomische Bewertungen und Klimafolgenabschätzungen zur Optimierung verschiedener Betriebsstrategien entwickelt. Die Instrumente werden so entwickelt, dass sie anpassbar sind und in anderen Regionen in verschiedenen Ländern eingesetzt werden können.

Das Projekt hat das Potenzial, die Zahl der Elektrobusse um 30 % zu erhöhen und eine Steigerung der CH4-Produktion im Verkehrssektor um 50 % zu ermöglichen, was zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen um 25 % gegenüber dem derzeitigen Szenario führt.

Auswirkungen dieses Problems

• Entfossilisierung der lokalen und regionalen Busse in Uppsala
• Schaffung eines allgemeinen Modellierungsrahmens, der an verschiedene Fallstudien sowie an die Region Uppsala angepasst werden kann

Forschungsfragen

• Die Region Uppsala hat die Einführung von 10 Elektrobussen geplant, die mit PV-Solarzellen betrieben werden. Wie können diese Busse optimal betrieben und in die gesamte Energieversorgungskette integriert werden?
• Uppsala Vatten deckt bereits 50 % des Kraftstoffbedarfs der Busse in Form von CH4 aus herkömmlichen anaeroben Vergärungsanlagen. Kann die Versorgung der öffentlichen Busse mit erneuerbarem Gas durch synthetisches Gas, das mit Hilfe der Power-to-Gas-Technologie gewonnen wird, um 50 % erhöht werden?
• Verschiedene Aktivitäten in der Gemeinde Uppsala verursachen Treibhausgasemissionen, insbesondere der öffentliche Nahverkehr (50 % der Busse werden mit Erdgas betrieben), die Fernwärme und die Abwasserbehandlung (Stromverbrauch aus dem Netz). Kann die Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe (direkt oder indirekt) in der Gemeinde Uppsala als Mittel zur Senkung der Treibhausgasemissionen um 25 % in den Bereichen öffentlicher Nahverkehr, Fernwärme und Abwasseraufbereitung zugelassen werden?
• Die Entwicklung eines Bewertungs- und Optimierungswerkzeugs für ein Energiespeichersystem wird so durchgeführt, dass es durch Anpassung spezifischer Parameter auch für die Bewertung anderer Regionen und Städte verwendet werden kann. Kann ein universell einsetzbares Optimierungstool entwickelt werden?

Entwurf einer kostenoptimalen Energy-to-Methane-Anlage

Task 1: In diesem Task wird die Grundlage für die Kombination der drei interagierenden Systeme (PV-Solarzellen, Batterie und Power-to-Gas) geschaffen und wichtige Parameter für die Analyse bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann zusammengeführt und es wird erläutert, wie in Task 3 das Modell aus diesen Erkenntnissen aufgebaut wird. Das Modell soll die Energieverteilung im System für einen Zeitraum von einem Jahr als Zeitschrittsimulation durchführen. Das Modell wird so konzipiert, dass es ortsunabhängig angewendet werden kann. Es kann also für andere Randbedingungen (z.B. andere Länder) verwendet werden.

Task 2: Um die Ergebnisse und die verschiedenen Energiespeicherkonzepte analysieren und vergleichen zu können, wird ein gemeinsamer Satz von Indikatoren für eine systematische Bewertung sowohl der technischen als auch der wirtschaftlichen Leistung entwickelt. Dazu gehören die Wirkungsgrade der Prozesse, Komponenten und Systeme und deren Betrieb, für die bestimmte Grenzen definiert werden müssen, die die zu berücksichtigenden Massen- und Energieflüsse beschreiben. Anhand verschiedener Lastprofile wird die optimale Konfiguration für einen H2-Zwischenspeicher und die Methanisierungskapazität ermittelt, um die Produktionsziele (z. B. den Verbrauch der Busflotte) und die niedrigsten Gasproduktionskosten zu erreichen. Die Lastprofile für den Betrieb der Power-to-Gas-Anlage werden aus direkt gekoppelten PV-Solarzellen, der Ausgabe lokaler Sonneneinstrahlungsdaten oder in Abhängigkeit von den Strompreisen des Day-Ahead- oder Intraday-Marktes (netzbasierter Strom) erstellt.  Auf der wirtschaftlichen Seite soll ein gemeinsamer Ansatz zur Bewertung der Produktionskosten von synthetischem H2 und CH4 entwickelt werden, der die OPEX und CAPEX der Methanisierungsanlagen und der Peripherie (z. B. Kanalisation und Produktgasaufbereitung) berücksichtigt.

Task 3: Der Hauptaspekt von Task 3 ist die Bewertung der Auslegungsdaten der verschiedenen Konzepte mit Schwerpunkt auf der Bewertung des Business Case.

• Erster Schritt: Vergleich der auslegungsspezifischen Aspekte der Technologien (z.B. Prozessanforderungen, Größe, Up- und Downstream-Processing) unter Berücksichtigung der Investitionskosten der Anlagen.
• Zweiter Schritt: Gemeinsame verfahrenstechnische Parameter, wie sie in Task 1 gesammelt und definiert wurden, werden analysiert.
• Dritter Schritt: Die Betriebskosten (OPEX) werden für die verschiedenen Betriebsarten untersucht, um Vor- und Nachteile hinsichtlich Flexibilität, Robustheit und Zuverlässigkeit aufzuzeigen. Als Beispiel wird die permanente, ausreichende Verfügbarkeit von Treibstoff für die Busflotte untersucht. Neben der Methanisierungsprozess- und Anlagenanalyse wird auch die Gesamtbilanz der Anlagenkomponenten hinsichtlich Leistung und Kosten untersucht. Alle Ergebnisse werden mit dem Stand der Technik verglichen, um weiteres Optimierungspotenzial durch Lerneffekte und Kostensenkungspotenziale zu definieren.