title: Synergetische Nutzung von fluktuierender Windenergie und gespeicherter Energie in Form von Biomasse
Creators: name: Graf, Stefan
Publisher: name: TU Wien
Year: 2015
Subjects: subject: Biomasse
subject: Windenergie
subject: Vergasung
subject: Methanierung
subject: Power to Gas
subject: Biomass
subject: Wind energy
subject: Gasification
subject: Methanation
subject: Power to Gas

description: Der immer höher werdende Anteil an erneuerbaren Energieformen, wie Strom aus Wind- oder Sonnenkraft, stellt das Energieversorgungssystem vor große Herausforderungen. Die Energieerzeugung geht nicht mit dem Verbrauch einher und demnach müssen geeignete Speichertechnologien zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Versorgung entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird das unter "Power-to-Gas" bekanntgewordene Konzept der Speicherung von Überschussstrom (aus Windenergie) in Form von Methan betrachtet. In Zeiten von hohem Windenergieangebot wird durch eine Elektrolyseeinheit Wasserstoff produziert. Zur Herstellung von Methan, einem Kohlenwasserstoff mit der chemischen Summenformel CH4, ist ein Kohlenstoffatom erforderlich. Als Kohlenstoffquelle soll eine der größten Energieressourcen Österreichs, die Biomasse, dienen. Im ersten Schritt der entworfenen Prozesskette wird die zuvor getrocknete Biomasse mittels Wasserdampfvergasung von fester in die gasförmige Phase übergeführt. Anschließend durchläuft das Produktgas drei Reinigungsstufen (Produktgasfilter, Produktgaswäscher, Produktgasadsorber), um von unerwünschten Bestandteilen wie Staub, Teer und Katalysatorgiften befreit zu werden. Danach wird es gemeinsam mit Wasserstoff einem Methanisierungsreaktor zugeführt, in welchem unter katalytischen Bedingungen die Umsetzung des Gasgemisches zu Methan erfolgt. Nach Abkühlung und Entfernung des Wasserdampfes kann das fertige Produkt, SNG (Substitute Natural Gas), in das Erdgasnetz eingespeist und gespeichert werden. Die entwickelte Prozesskette wurde im Prozess-Simulationsprogramm IPSEpro abgebildet und durch Simulationsrechnungen von unterschiedlichen Lastfällen optimiert. Der Wirkungsgrad für die Erzeugung von SNG konnte zu ca. 65% bestimmt werden. Durch Auskopplung von Fernwärme kann ein Gesamtwirkungsgrad der Anlage von rund 82% erreicht werden. Die Qualität des SNG entspricht den Erfordernissen des Erdgasnetzes und eine Einspeisung darf erfolgen. Fluktuationen der Windenergie werden über einen Gasmotor abgefedert. Kann nicht genügend Wasserstoff für eine vollständige Methanisierung des Produktgases durch die Elektrolyse bereitgestellt werden, wird ein Teil des Produktgases über einen Gasmotor geleitet und dabei Strom produziert. Damit ergibt sich ein Synergieeffekt für die Stabilität des elektrischen Netzes. Fällt eine erneuerbare Energiequelle (Wind) aus, springt eine andere (Biomasse) für die Strombereitstellung ein.
description: The increasing share of renewable forms of energy such as electricity from wind or solar power leads to major challenges for the energy supply system. The energy production does not comply with the consumption and therefore it is necessary to develop appropriate storage technologies to ensure a continuous supply. Within the scope of this thesis the approach of storing excess electricity (from wind energy) as methane, also known as the "Power-to-Gas" concept, is going to be examined. During the time of a high wind energy supply, hydrogen is produced by an electrolysis unit. For the production of methane, a hydrocarbon with the chemical formula CH4, a carbon atom is required. One of the largest energy resources in Austria, biomass, should serve as the carbon source. In the first step of the designed process chain, previously dried biomass is converted by steam gasification from solid to the gaseous phase. Subsequently, the producer gas passes three cleaning stages (producer gas filter, producer gas scrubber, producer gas adsorber) to remove undesired components such as dust, tar and catalytic poisons. Afterwards it is fed together with hydrogen to a methanisation reactor, where the conversion of the gas mixture to methane under catalytic conditions takes place. After cooling and removing of water vapour, the product, SNG (substitute natural gas), can be stored in the gas grid. The developed process chain was integrated into the process simulation software IPSEpro and optimized through simulations of several different load cases. The efficiency for the production of SNG was determined to approximately 65%. Through decoupling district heating, an overall efficiency of the plant of around 82% can be achieved. The quality of the SNG complies with the requirements of the gas grid and as a result it can be used as a substitute of natural gas. The fluctuations of the wind energy are absorbed by a gas engine. If not sufficient hydrogen can be provided by the electrolysis unit for a complete methanisation, parts of the producer gas are directed to a gas engine, where electrical power is produced. This causes a synergy effect for the grid stability. If one form of renewable energy (wind) falls out, another one (biomass) steps in and provides electricity.