Hat saubere Energie auch Fehler? Zu viel zum Aufbewahren! Technologiekopplung möglicherweise „reparierbar“

Im September startete in Changzhou das „International Forum on Carbon Peak and Carbon Neutrality (2024) and International New Energy Expo“, das gemeinsam von der China Energy Research Society und der Stadtverwaltung von Changzhou organisiert wurde.

Bildquelle: CCTV.com

Um die „3060 Dual Carbon“-Ziele zu erreichen, ist der Energiesektor das wichtigste Schlachtfeld. Kohlekraft ist die wichtigste Quelle der Stromversorgung in meinem Land und wird sich auch in Zukunft über lange Zeit nicht ändern, aber sie wird große Mengen Kohlendioxid ausstoßen. Die umfassende Nutzung neuer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie ist ein wichtiger Weg zur CO2-armen Umstellung der Elektrizitätswirtschaft. Allerdings weisen diese neuen Energiequellen auch einige „Fehler“ auf, die nicht ignoriert werden können.

01 Gibt es einen „ Fehler “ bei sauberer Energie ?

Grüne Energien wie Wind- und Solarenergie haben zwar den Vorteil, sauber und kohlenstoffarm zu sein, doch wie Kohlekraftwerke haben sie nach der Umwandlung in Elektrizität auch den Nachteil, dass sie nicht in großem Maßstab gespeichert werden können und weiter in andere chemische Energie oder potenzielle Energie oder mechanische Energie umgewandelt werden müssen.

Solarzellen-Panels (urheberrechtlich geschützte Bilder aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler die Idee vorgeschlagen, Wasserstoff in Ammoniak und Methanol umzuwandeln. Dabei wird der durch Elektrolyse von Wasser erzeugte Wasserstoff proportional mit Stickstoff aus der Luft oder Kohlendioxid aus Wärmekraftwerken vermischt, komprimiert und anschließend unter katalytischen Bedingungen zu Ammoniak oder Methanol umgesetzt.

Ammoniak und Methanol haben einen hohen Wasserstoffgehalt, stabile Eigenschaften und sind leicht zu lagern und zu transportieren. Sie sind wichtige chemische Produkte und Brennstoffe. Sie können nach Erhitzen und Cracken schnell dehydriert werden und sind gute Wasserstoffspeicher.

Dabei handelt es sich um das Prinzip der „Strom-Wasserstoff-Kohlenstoff-Kopplung“, bei dem durch Wind- und Sonnenenergie erzeugter Strom, durch Wasserelektrolyse erzeugter Wasserstoff sowie von Wärmekraftwerken ausgestoßenes Kohlendioxid durch grenzüberschreitende Kopplung und Materialreformierung genutzt werden, um Ammoniak und Methanol mit stabilen chemischen Eigenschaften sowie einfacher Lagerung und Transport zu erzeugen und so eine geschlossene Kette der Energiespeicherung und des Transports von Windenergie, Sonnenenergie, Strom und Wasserstoff zu realisieren.

Windrad ( urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen )

02 Schritt 1: Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse

Die Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse umfasst im Wesentlichen drei Wege: alkalische Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff, Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembran zur Erzeugung von Wasserstoff und Festoxid-Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff. Im tatsächlichen Verfahren beträgt die Wasserstoffproduktion durch alkalische Wasserelektrolyse fast 60 % und die Wasserstoffproduktion durch Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse 30 %.

(1) Wasserstofferzeugung durch alkalische Wasserelektrolyse

♦Umwandlungseffizienz : Die Umwandlungseffizienz der Wasserstoffproduktion durch alkalische Wasserelektrolyse liegt zwischen 70 % und 80 %, und der Stromverbrauch pro Kubikmeter Wasserstoff beträgt etwa 5 kWh[1]

♦Vorteile : Die Industrialisierung wurde Mitte des 20. Jahrhunderts erreicht, mit hoher kommerzieller Reife und langer Betriebszeit.

♦Nachteile : Die Verwendung starker Laugen als Elektrolyt ist ätzend und die in der Elektrolysezelle verwendete Asbestmembran birgt auch gewisse Umweltgefahren. Untersuchungen haben ergeben, dass die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse unter den gegenwärtigen technischen Bedingungen erst dann vorteilhaft sein wird, wenn der Preis für Strom aus erneuerbaren Energien auf 0,1 Yuan/kWh sinkt[2]. Daher sind die geringe Energieeffizienz und der hohe Energieverbrauch noch immer Probleme, die bei der Entwicklung gelöst werden müssen.

(2) Wasserstofferzeugung durch Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse

♦Umwandlungseffizienz : Die Umwandlungseffizienz der Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembranen zur Herstellung von Wasserstoff liegt zwischen 75 % und 85 %, und der Stromverbrauch pro Normkubikmeter Wasserstoff beträgt etwa 4,5–5,5 kWh.

♦Vorteile : Durch die Verwendung von reinem Wasser als Rohstoff ergeben sich die Vorteile einer hohen Stromdichte, einer hohen Wasserstoffreinheit, einer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit, eines kleinen Elektrolyseurvolumens, eines flexiblen Betriebs, eines schnellen Lastwechsels, einer hohen Kompatibilität mit Windkraft und Photovoltaik usw.

♦Nachteile : Es erfordert die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren (Platin, Iridium) und speziellen Membranmaterialien, und die Kosten sind etwa 3-5 mal so hoch wie die eines alkalischen Elektrolyseurs gleicher Größe [1].

(3) Wasserstofferzeugung durch Hochtemperatur-Festoxidelektrolyse von Wasser

Durch die Verwendung von Festkeramik als Elektrolyt und einer Reaktion bei hohen Temperaturen von 500 bis 1.000 °C kann die theoretische Umwandlungseffizienz 100 % erreichen oder sich diesem Wert annähern. Der Katalysator ist nicht auf Edelmetalle angewiesen, befindet sich jedoch noch in der Phase der Technologiedemonstration und Systemerprobung.

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03 Schritt 2:

(1) Grüner Wasserstoff + Stickstoff → grünes Ammoniak

Der Prozess der Synthese von grünem Ammoniak aus grünem Wasserstoff und Stickstoff unter Einwirkung von Hochtemperatur- und Hochdruckkatalysatoren umfasst hauptsächlich die Kompression von Wasserstoff und Stickstoff, die Ammoniaksynthese und Kondensationstrennung sowie die Kompression und Kühlung von Ammoniak.

Theoretisch können aus 0,18 Tonnen Wasserstoff 1 Tonne Ammoniak hergestellt werden. Die Kosten für Strom und Investitionen in die Ausrüstung machen einen großen Teil der Kosten für die Herstellung von grünem Ammoniak aus. Es muss unter Bedingungen von 10–15 MPa und 350 – 500 °C hergestellt werden. Häufig verwendete Katalysatoren sind Eisen oder Ruthenium [1]. Daher besteht die größte Herausforderung bei der Herstellung von grünem Ammoniak aus grünem Wasserstoff derzeit darin, einen sichereren, wirtschaftlicheren und effizienteren Prozess zur Umwandlung von grünem Wasserstoff in Ammoniak zu entwickeln, um die Systemflexibilität und die allgemeine Umwandlungseffizienz weiter zu verbessern.

Grüne Wasserstoffproduktion (Copyright-Bild aus der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

(2) Grüner Wasserstoff + Kohlendioxid → Methanol

Die Schritte der grünen Wasserstoffkopplung von Kohlendioxid zur Herstellung von Methanol sind Wasserstoffaufbereitung, Kohlendioxidabscheidung, Methanolsynthese und Destillation. Der Reaktionsprozess besteht darin, dass unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen Kohlendioxid und Wasserstoff unter Einwirkung eines Katalysators Methanol und Wasser produzieren.

Die Schwierigkeit der Reaktion liegt in der Auswahl der Katalysatoren. Bei den derzeit verwendeten Katalysatoren handelt es sich hauptsächlich um Katalysatoren auf Kupferbasis, Katalysatoren auf Palladiumbasis, Katalysatoren auf Indiumbasis und Katalysatoren in Form fester Oxidlösungen. Unter diesen Katalysatoren finden Kupferkatalysatoren aufgrund ihrer einfachen Herstellung und der kostengünstigen Rohstoffe breite Anwendung in der Industrie. Die technische Herausforderung, die es künftig bei der Hydrierung von Kohlendioxid zur Herstellung von Methanol zu lösen gilt, besteht in der Entwicklung eines Katalysators mit hoher Aktivität, hoher Selektivität und hoher Stabilität.

Wasserstoffanlage (Copyright-Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

04Technologische Durchbrüche in meinem Land

Derzeit liegen die wichtigsten Leistungsindikatoren einiger Schlüsselgeräte für die Wasserstoffproduktion durch alkalische Wasserelektrolyse in meinem Land nahe am internationalen Spitzenniveau. Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse mit einem einzigen Tank ist groß und eignet sich sehr gut für die netzbasierte Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse.

Was synthetisches Ammoniak betrifft, so ist die heimische Großindustrie für synthetisches Ammoniak grundsätzlich auf internationalem Spitzenniveau und die Technologie für synthetisches Ammoniak ist in die Ära 3.0 eingetreten. So hat beispielsweise das Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erstmals Koordinationshydridmaterialien für die katalytische Synthese von Ammoniak eingesetzt und einen neuen Typ eines ternären Hydridkatalysators auf Basis von (Erdalkali-)Metallruthenium entwickelt, mit dem die katalytische Synthese von Ammoniak unter milden Bedingungen möglich ist und der damit international führend ist [3].

Im Bereich synthetisches Methanol haben das Shanghai Advanced Research Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und die Offshore Oil Fudao Company eine Demonstrationsanlage zur Hydrierung von CO2 zu Methanol mit einer Kapazität von 5.000 t/a fertiggestellt. das Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften baute am Green Chemical Institute of Lanzhou New District ein tausend Tonnen schweres Demonstrationsprojekt zur Synthese von flüssigem Solarkraftstoff; Southwest Chemical Research and Design Institute Co., Ltd. und Luxi Chemical Group Co., Ltd. entwickelten eine Testpilotanlage zur Produktion von Methanol durch Hydrierung von CO2 mit einer Kapazität von 5.000 t/a. Dabei erreichten die CO2-Umwandlungsrate und die Methanolselektivität das fortgeschrittene Niveau ähnlicher Technologien und der Energieverbrauch der Methanoleinheit wurde durch den thermischen Kopplungsprozess stark reduziert [4].

05 Zukunftsausblick

Im Juli 2024 veröffentlichte die Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie die zehn wichtigsten wissenschaftlichen Zukunftsthemen Chinas im Jahr 2024. Darin wurde die koordinierte Förderung der groß angelegten Entwicklung neuer Energien und der grünen Umstellung der Kohleverstromung durch die Kopplung von Strom, Wasserstoff und Kohlenstoff erwähnt .

Durch die Technologie der Strom-Wasserstoff-Kohlenstoff-Kopplung ist eine großflächige Nutzung erneuerbarer Energien, der Transport und die Speicherung von Wasserstoffenergie über große Entfernungen sowie die Ressourcennutzung von Kohlendioxid aus Kohlekraftwerken möglich geworden. Während es die grüne und kohlenstoffarme Umstellung der Kohlekraft fördert, hat es erneuerbare grüne Rohstoffe und Kraftstoffe wie grünes Ammoniak und grünes Methanol synthetisiert, was einen wichtigen Umwelt- und Ökologiewert sowie gewisse wirtschaftliche Vorteile hat.

In Zukunft werden durch den kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technologie die Kosten für wichtige Geräte wie Photovoltaikmodule und Elektrolyseure sinken und die Leistung der Katalysatoren erheblich verbessert werden. Die Kosten für die grenzüberschreitende Kopplung von Elektrizität, Wasserstoff und Kohlenstoff werden weiter sinken, der Integrationseffekt der Industriekette und der Skaleneffekt der Technologie werden weiterhin zum Tragen kommen und die gekoppelte Industriekette wird sich weiter ausdehnen. Es werden mehr grüne Produkte und grüne Energie entstehen!

Autor: Liu Hanbin, leitender Ingenieur, Shanxi Coal Geology Bureau

Gutachter: Huang Wei, Professor und Doktorvater, Institut für Kohlechemietechnik, Technische Universität Taiyuan

Produziert von: Science Popularization China

Quellen:

[1] Lin Guangping, Liu Zhaochuan, Nie Li et al. Aufbau eines typischen integrierten Energiesystems ohne CO2-Emissionen mit enger Kopplung von Kohle und erneuerbarer Energie[J]. Clean Coal Technology, 2022, 28 (11): 90-104.

[2] Li Bin, Pan Yuqing, Wen Huajie et al. Aktueller Stand und Aussichten der Entwicklung der Wasserstoff-Strom-Ressourcenkopplung auf der Grundlage der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen[J]. Stromversorgung und -nutzung, 2023, 40(10): 106-113.

[3] Bu Ye. Chinesische und ausländische Teams entwickeln neue Katalysatoren für eine „grüne“ Ammoniaksynthese[N]. Chinesische Wissenschaftszeitung. 30.11.2021, Seite 1.

[4] Peng Shengjiang, Yang Shuxia. Konstruktion und Verifizierungsanalyse eines Konfigurationsmodells zur Kapazitätsoptimierung eines Wind-Wasserstoff-Kohle-Kopplungssystems basierend auf der Systemdynamik[J]. Wissenschafts- und Technologiemanagementforschung, 2023, 43 (16): 203-214.