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PeakMetal – Deckung von Winterspitzen durch Strom und Wärme aus «Renewable Metal Fuels»

Zusammenfassung

Die Energieperspektiven 2050+ zeigen, dass die Schweiz wohl auch in Zukunft im Winter Strom und Wärme importieren muss. In diesem Projekt wird untersucht, welchen Beitrag “Renewable Metal Fuels” leisten können als KWK-Elemente des Gebäudeparks a) zur Deckung des lokalen Bedarfs an Strom und Wärme und b) zur Einspeisung elektrischer Energie ins Netz und damit zur Stabilisierung des Energiesystems. Dies reduziert den Bedarf an (Erd-) Gas-Kraftwerken zur Deckung von Winterspitzen.

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Publikationen / Ergebnisse

Gehen Metalle eine Verbindung mit Sauerstoff ein, so werden enorme Energiemengen freigesetzt. Daher können Aluminium und andere Metalle dazu verwendet werden, um erneuerbaren Strom zu speichern, um daraus im Winter Wärme und Strom zu gewinnen. Forschende der Ostschweizer Fachhochschule haben evaluiert, welche Metalle zur Einspeicherung, Lagerung und Ausspeicherung von Energie besonders geeignet sind und in welchem Mass sie zur Deckung der Winterenergielücke durch erneuerbare Energie beitragen könnten.

Schlussbericht

Renewable Metal Fuels (ReMeF) sind nachhaltige, saisonale Energiespeicherlösungen, die Wärme und Strom für Gebäude liefern und Treibhausgasemissionen reduzieren können, indem sie die derzeitigen Systeme auf Basis fossiler Brennstoffe im Winter ersetzen. ReMeF sind Metalle (M), die aus ihren Oxiden (MXOY) durch Abspaltung von Sauerstoff (O2) unter Verwendung erneuerbarer Energie (Power-to-Metal) hergestellt werden. ReMeF sind Energieträger mit hoher Dichte, die verlustfrei und beliebig lange gespeichert und über weite Strecken transportiert werden können. Wenn oder wo Energie benötigt wird, können ReMeF entweder in einem einzigen Schritt unter Verwendung von Sauerstoff oder in zwei Schritten wieder oxidiert werden. Bei zwei Schritten ist der erste Schritt eine Metall-Wasser-Reaktion, bei der Wasserstoff (H2) und Metallhydroxid entstehen. Im zweiten Schritt wird Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Strom und Wärme oxidiert zu Wasser. Um den Stoffkreislauf zu schließen, wird das im ersten Schritt entstandene Metallhydroxid in Metalloxid umgewandelt, das für die Herstellung von neuem ReMeF verwendet werden kann. Der Stoffkreislauf eines ReMeF-Energiespeicherkreislaufs ist also geschlossen und erfüllt die Kriterien der Kreislaufwirtschaft. Im Rahmen des PeakMetal-Projekts lag der Schwerpunkt auf: 1. Screening und Bewertung metallischer Elemente als Kandidaten für ReMeF und Auswahl der vielversprechendsten Elemente 2. Bewertung des Potenzials zur Verringerung möglicher künftiger Energielücken im Winter mit den vielversprechendsten ReMeF-Kandidaten für Metall- Wasser-Reaktionen bei niedrigen Temperaturen Screening und Bewertung ergaben, dass Aluminium, Eisen und Silizium die vielver-sprechendsten Kandidaten für ReMeF sind. Die Hauptvorteile sind ihre hohe Verfügbarkeit - sie sind neben Sauerstoff die häufigsten Elemente in der Erdkruste - ihre geringen Kosten und ihre einfache Handhabung, da sie weder giftig noch hochreaktiv sind. Power-to-Metal - Einspeicherung Die heutige metallurgische Industrie verwendet Kohlenstoff als Reduktionsmittel für die Umwandlung von Metalloxiden in Aluminium, Eisen oder Silizium. Bei diesem Prozess wird CO2 erzeugt und emittiert. Daher ist es für die Verwendung von Metallen als ReMeF von entscheidender Bedeutung, dass die Reduktion von Metalloxiden mit neuen Technologien wie der inerten Anodenelektrolyse für Aluminium oder der direkten Reduktion mit Wasser-stoff für Eisen durchgeführt wird. Die TRL dieser neuen, CO2 -emissionsfreien Power-to-Metal-Verfahren ist für die Wasserstoffreduktion von Eisen am höchsten (TRL 6/7), gefolgt von der Aluminium-Elektrolyse mit Inert-Elektroden (4-7) und ähnlichen Technologien für Silizium (4). Der energetische Wirkungsgrad von Power-to-Metal bis zu dem Punkt, an dem das Material in seine gewünschte Form gebracht und bis zum Winter gelagert wird, wird auf 50 bis 60 % geschätzt. Metall-zu-Energie-Entladung Wenn Metalle aktiviert werden um mit Wasser zu reagieren, werden Wasserstoff und Wärme erzeugt. Der Anteil der gespeicherten Energie, der sich in Wasserstoff umwandelt, ist im Vergleich zur Wärme beim Eisenentladungsprozess am höchsten (fast 100 %). Daher ist der Anteil der Elektrizität nach der Wasserstoffumwandlung in einer Brennstoffzelle bei Eisen viel höher (50%) als bei Aluminium und Silizium. Die Metall-Wasser-Reaktionen von Aluminium und Silizium sind stark exotherm, und die Hälfte der gespeicherten Energie wird als Wärme freigesetzt, was zu einem Wirkungsgrad von etwa 25 % bei der Umwandlung von Metall in Strom führt. Andererseits ist die Energiedichte von Aluminium und Silizium im Vergleich zu Eisen wesentlich höher, sowohl auf volumetrischer (>20 MWh/m3 vs. 12 MWh/m3 ) als auch auf gravimetrischer Basis (> 8,5 kWh/kg vs. 2 kWh/kg). Die Vorteile von ReMeF im Vergleich zu anderen langfristigen Power-to-X-Speicheroptionen sind: •sehr hohe Energiedichte, insbesondere pro Volumen •Einachheit des Transports •nicht giftig und nicht explosiv •relativ geringe Kosten •kein Bedarf an kryogenen oder unter Druck stehenden Lagerbehältern •kein Kohlenstoff, der irgendwann (wieder)eingefangen werden muss (Klimaneutralität) Potenzial zur Deckung des Spitzenbedarfs im Winter Ausgehend von den Energieperspektiven 2050+ wurden verschiedene Szenarien des Schweizer Energiesystems im Jahr 2050 simuliert. Statt Wasserstoff im Sommer mit Elektrolyseuren zu produzieren und ihn im Winter mit Brennstoffzellen wieder in Strom umzuwandeln, wurde das Potenzial der Produktion von ReMeF mit überschüssigem Sommerstrom evaluiert. In der Folge wurde die Möglichkeit betrachtet, ReMeF in Mehrfamilienhäusern für die Produktion von Wärme und Strom im Winter einzusetzen, wobei dabei ein grosser Teil des Wärme- und Strombedarfs der Gebäude gedeckt wird und Strom zusätzlich ins Netz eingespeist werden kann, was zur Reduktion einer allfälligen Winterlücke beiträgt. Die Ergebnisse zeigen für ein Schweizer Energiesystem mit hoher Photovoltaik-Durchdringung (45 TWhel/a) eine verbleibende Winter-Stromlücke von 8-9 TWhel ohne MeMeF. Mit einer thermischen Leistung von Metal-to-Energy auf 10 kWth in allen Mehrfamilienhäudern die nicht an die Fernwärme angeschlossen sind, könnte diese Winterlücke mit Aluminium oder Silizium als ReMeF auf 2-3 TWhel reduziert werden. Mit Eisen, das einen viel höheren Anteil an elektrischer im Vergleich zur thermischen Leistung hat, könnte die Schweiz unter sonst gleichen Annahmen im Winter sogar 2-4 kWhel exportieren. Einerseits werden wohl nicht alle Mehrfamilienhäuser mit ReMeF ausgerüstet werden. Andererseits besteht jedoch ein zusätzliches Potenzial für ReMeF in der Fernwärme und für industrielle Wärme und Elektrizität, das in den oben dargestellten Zahlen noch nicht enthalten ist. Globale Erwärmung Unter Verwendung von Power-to-Metal welches auf einer kohlenstofffreien Metallproduktion basiert (TRL 4-7), wird die Klimawirkung aller betrachteten ReMeF durch die Treibhausgasemissionen des für den Power-to-Metal-Prozess verwendeten Stroms bestimmt. Dieser Wert muss unter 35 - 50 gCO2-eq./MJ liegen, um die globale Erwärmung zu reduzieren, wenn ein Mini-BHKW (Kraft-Wärme-Kopplung), das auf Erdgas basiert, durch ReMeF ersetzt wird. Eine Stromerzeugung mit einem solch niedrigen GWP-Wert kann mit Wasser- und Windenergie (1-3 gCO2-eq./MJ) oder mit Photovoltaik auf Dächern (10 gCO2-eq./MJ) erreicht werden. Die Installation von ReMeF KWK in Mehrfamilienhäusern in der Schweiz mit einer durch-schnittlichen Leistung von 10 kWth pro Gebäude kann die Winter-Energielücke substantiell reduzieren. Verglichen mit dem Erreichen des gleichen Ziels mit Erdgas-Reservekraftwerken würden dadurch Treibhausgasemissionen von mehr als 3 Mio. tCO2 eq pro Jahr eingespart.

Projektdetails

Forschungsstelle
BFE
Projektstatus
Abgeschlossen
Projekttyp
Forschungsprojekt
Startdatum
2022-11-30
Enddatum
2024-11-29
Bewilligte Gesamtkosten
CHF 97650.00
Sektion
Gebäude und Städte
NABS Politikbereich
Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie

Kategorien

Other building operations and efficient building equipment Energie in Gebäuden Anwendungsorientierte Forschung

Labels

F+E Gebäude und Städte