28
Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser Verbund-Koordinator: Dr. Sven Kerzenmacher IMTEK – Institut für Mikrosystemtechnik, Universität Freiburg

Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser

Verbund-Koordinator: Dr. Sven Kerzenmacher

IMTEK – Institut für Mikrosystemtechnik, Universität Freiburg

Page 2: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Mikrobielle Elektrolysezelle

Reduktion von H+ an der Kathode Wasserstoff und CO2 aus Abwasser

Verringerter Energiebedarf ~ 25-50% im Vergleich zur klassischen

Wasserelektrolyse Deutliches Potential zur Energieeinsparung

bei der Wasserstoffproduktion

Page 3: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Laufzeit: 1.4.2014 – 31.12.2017 (inkl. Verlängerung)

Projektidee: Methanol aus Abwasser

3

32 bar, 200°C

Mikrobielle Elektrolysezelle Methanolsynthese

A B

Vorgereinigter Ablauf

Page 4: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Vorteile des Ansatzes

Erhöhte Energieeffizienz der Abwasserreinigung Stoffliche/energetische Nutzung der organischen Abwasserbestandteile Verminderung des Energieaufwands in der aeroben Reinigungsstufe

Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Besonderes Potential bei der Behandlung stark beladener Spezialabwässer aus der Industrie (C-Entfernung im Vordergrund!) Celluloseacetat-Herstellung Brauerei & Brennerei Molkerei & Papierfabrik …

4

Page 5: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Arbeitsschwerpunkte

Entwicklung einer für den praktischen Einsatz optimierten mikrobiellen Elektrolysezelle

Verbesserte Katalysatoren für die Methanolsynthese

Ökonomische und ökologische Evaluation des Gesamtprozesses

5

Page 6: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Optimierungsansätze mikrobielle Elektrolysezelle

6

Kostengünstige Katalysatoren für die H2-Entwicklung

Page 7: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

0 2 4 6-1,5

-1,4

-1,3

-1,2

-1,1

-1,0

-0,9

Cat

hode

pot

entia

l [V

vs.

SC

E]

Time [d]

Kostengünstige Katalysatoren für die H2-Produktion (Uni-FR/AG Kerzenmacher)

Neues Material: Molybdän-Sulfid (MoS2)*

Qualifizierung in Industrieabwasser (pH 2,4) Deutlich bessere Langzeitstabilität als Platin Überpotential nach 17 Tagen bei 3 mA/cm²

MoS2-basiert ~ 100 mV Pt: ~ 500 mV

Materialkosten der Elektrode ~ 2.40 US$ pro m² Kostenziel der gesamten Membran-

Elektroden-Einheit (MEA): 7 €/m²

7 * M. Kokko, Ph. Kurz, S. Kerzenmacher, et al.: Molybdenum sulphides on carbon supports as electrocatalysts for hydrogen evolution in acidic industrial wastewater. Applied Energy 190 (2017).

I = 3 mA cm-2

Zeit in Tagen K

atho

denp

oten

tial /

V v

s. S

CE

Platin

CNT + MoS2

(galvanische Abscheidung)

Page 8: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Optimierungsansätze mikrobielle Elektrolysezelle

8

Leistungsverbesserung durch gezielte Besiedelung der mikrobiellen Anode

Page 9: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Gezielte Besiedelung der Anode mit Mikroorganismen (KIT/AG Gescher; Uni-FR/AG Kerzenmacher )

Strategie Isolierung von Organismen aus dem Industrieabwasser Zugabe eines elektroaktiven Laborstamms

(Geobacter) Langsame Adaption des Konsortiums an

das Industrieabwasser

Laborversuche Verdopplung der Stromdichte durch Zugabe

des elektroaktiven Laborstamms 80-fache Steigerung der Stromdichte durch

langsame Adaption der Mikroorganismen an das Industrieabwasser (~ 2 Wochen)

9

Batch-System direkt mit

Industrieabwasser betrieben

Isolate aus dem Industrieabwasser Isolate und Geobacter

Durchfluss-System mit Adaptionsphase

an das Industrieabwasser

Page 10: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Gezielte Besiedelung der Anode mit Mikroorganismen (KIT/AG Gescher; Uni-FR/AG Kerzenmacher )

Strategie Isolierung von Organismen aus dem Industrieabwasser Zugabe eines elektroaktiven Laborstamms

(Geobacter) Langsame Adaption des Konsortiums an

das Industrieabwasser

Laborversuche Verdopplung der Stromdichte durch Zugabe

des elektroaktiven Laborstamms 80-fache Steigerung der Stromdichte durch

langsame Adaption der Mikroorganismen an das Industrieabwasser (~ 2 Wochen)

Praktische Anwendung in der Demonstrationszelle 0,5 mA/cm² ggü. < 0,2 mA/cm² ohne Adaption Aktuell weitere Optimierungen (Ziel: ~ 1- 2 mA/cm²)

10

Page 11: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Optimierungsansätze mikrobielle Elektrolysezelle

11

Identifikation & Qualifizierung kostengünstiger Membranmaterialien

Anode: pH 7 Kathode: pH 2

Page 12: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Einsatz kostengünstiger Membranen (Uni-FR/AG Kerzenmacher)

Untersuchung verschiedener Membranen unter anwendungsrelevanten Bedingungen pH Anode: 7; pH Kathode: 2 Stromdichte: 3 mA/cm² Hydraulische Verweilzeit: 1h Versuchsdauer: 24 h Dauerbetrieb

Materialpreis Cellophan: ~ 1 €/m² Bislang keine Degradationserscheinungen

12

Membran pH Anode pH Kathode Spannungsabfall über die Membran (mV)

Anionentauscher < 5 > 9 --- Kationentauscher 6-7 2 < 10 mV Cellophan 6 2 10 - 90 mV

Page 13: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Optimierte mikrobielle Elektrolysezelle

13

Kostengünstige Katalysatoren für die H2-Entwicklung

Leistungsverbesserung durch gezielte Besiedelung der mikrobiellen Anode

Identifikation & Qualifizierung kostengünstiger Membranmaterialien

Page 14: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Arbeitsschwerpunkte

Entwicklung einer für den praktischen Einsatz optimierten mikrobiellen Elektrolysezelle

Verbesserte Katalysatoren für die Methanolsynthese

Ökonomische und ökologische Bewertung des Gesamtprozesses

14

Page 15: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Optimierung der Methanolsynthese (Uni Freiburg/AG Krossing)

Neuer Ansatz: nachgelagerte Direktsynthese von Dimethylether (DME) aus Methanol

Steigerung der Produktivität

Aktuell ca. doppelt so hohe CO2-Umsatzrate im Vergleich zum Benchmark

Dimethylether: attraktiveres Produkt mit ca. 3-fach höherem Wert

15

𝑪𝑪𝟐+3 𝑯𝟐

𝑪𝑯𝟑𝑪𝑯 + 𝑯𝟐𝑪 ∆𝑯𝟐𝟐𝟐𝟐 = −𝟒𝟐,𝟓 𝒌𝒌𝒎𝒎𝒎

2 𝑪𝑯𝟑𝑪𝑯

𝑪𝑯𝟑 − 𝑪 − 𝑪𝑯𝟑 ∆𝑯𝟐𝟐𝟐𝟐 = −𝟐𝟑,𝟓 𝒌𝒌𝒎𝒎𝒎

(DME)

(Methanol)

Page 16: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Arbeitsschwerpunkte

Entwicklung einer für den praktischen Einsatz optimierten mikrobiellen Elektrolysezelle

Verbesserte Katalysatoren für die Methanolsynthese

Ökonomische und ökologische Bewertung des Gesamtprozesses

16

Page 17: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Ökonomische Bewertung (Fraunhofer ISE)

Page 18: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Beispielszenario zur ökonomischen Bewertung (Fraunhofer ISE)

Randbedingungen der Beispielrechnung Systemkennwerte CSB-Abbau: 60% ~ 500 kg MeOH pro Tag Stromdichte MEZ: 1 mA/m² MEZ-Größe: ~ 310 m³

Kosten & Preise MEZ-Membran-Elektrodeneinheit

(MEA): 7 €/m² (Austausch alle 5 a) Ökostrom mit 9 ct/kWh Methanol: 650 €/t

Ergebnis dieser Abschätzung Kapitalwert nach 20 Jahren: - 0,8 Mio. €

18

Page 19: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Kostenfaktoren (Fraunhofer ISE)

19

Page 20: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Optimierungspotenziale (Fraunhofer ISE)

20

Reduzierte Kosten des MEZ-Reaktors (Investition, Wartung, Peripherie, …) Aktuell: 2.800 €/m³

(Gleichrichter, Steuerung, Installation)

Höherpreisiges Produkt z. B. Dimethylether (DME)

Reduzierte Stromkosten

Page 21: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Beispielszenario zur ökologischen Bewertung (Fraunhofer ISE)

Bewertung auf der Basis von Umweltwirkungen Globales Erwärmungspotential Metall-Verarmung Eutrophierung, Versauerung, …

Randbedingungen der Beispielrechnung CO2 zu 100% aus der MEZ 100% Ökostrom Cradle-to-gate-Analyse Referenz-System: Methanol aus

fossilen Quellen

21

Page 22: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Umweltwirkungen im Vergleich

22

Deutlicher Vorteil gegenüber dem Referenzsystem bei Globales Erwärmungspotential Bedarf an fossiler Energie

Starke negative Auswirkungen im Hinblick auf Metallverarmung

Ursache: Materialien der MEZ Anteil des Kupfer-Stromableiters: ~ 90%

Weitere Informationen zur ökonomischen & ökologischen Bewertung am Markstand!

Einflusskategorie Einheit Basis-Szenario Referenzsystem (fossiles MeOH)

Globales Erwärmungs-Potential (GWP100)

kg CO2-Eq. -970 530

Kumulierter Bedarf an fossiler Energie GJ 3 32

Metall-Verarmung kg Fe-Eq. 280 30

Page 23: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Zusammenfassung

Prozess zur nachhaltigen stofflichen und energetischen Nutzung der Kohlenstofffracht in (Industrie-)Abwässern Positive Umweltwirkung möglich (insbesondere hinsichtlich Treibhausgasemission) Wirtschaftlichkeit aktuell noch nicht gegeben

Technologische Entwicklungen für ein optimiertes Gesamtsystem Leistungssteigerung durch gezielte Optimierung der Mikrobiologie Kostengünstige Katalysatoren für die H2-Entwicklung Verbesserte Katalysatoren für die Synthese von Methanol und/oder Dimethylether (DME)

Erhöhung von Wirtschaftlichkeit und positiver Umweltwirkung durch Kostengünstige Materialien & Konstruktion Höherpreisiges Produkt Gezielte Entwicklung von Materialien und Konstruktion der MEZ hin zu minimierter Umweltwirkung

23

Page 24: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Ausblick

Aufbau eines Demonstrationssystems im Labormaßstab Eingehende Charakterisierung Verfeinerte techno-ökonomische und

ökologische Bewertung

Zukünftige Forschung & Entwicklung Up-scaling & Pilotisierung Gezielte Materialentwicklung für

verbesserte Wirtschaftlichkeit & positive Umweltwirkung

24

Page 25: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Danksagung

AG Bioelektrochemische Systeme M. Kokko, L. Gil-Carrera, P. Kolb, D. Abed el Hafez, V. Vazhnik

Kooperationsspartner Prof. J. Gescher & S. Epple @ KIT Prof. I. Krossing, & J. Beck, Prof. Ph. Kurz &

F. Bayerköhler @ Uni Freiburg A. Schaadt, C. Hank, M. Neuner, J. Streek @ Fraunhofer ISE D. Hölter, S. Schaake, @ Solvay Acetow D. Balthasart @ Solvay Engineering M. Hacker @ AZV Staufener Bucht

Finanzielle Unterstützung Bundesministerium für Bildung und Forschung

(Projektträger Karlsruhe) 25

Page 26: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Bericht aus dem Querschnittsthema Biobrennstoffzelle Dr. Sven Kerzenmacher

IMTEK – Institut für Mikrosystemtechnik, Universität Freiburg

Page 27: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

QT Biobrennstoffzelle

Bislang vier QT-Treffen Durchschnittlich etwa 25 Teilnehmer, davon ca. 3-5 Teilnehmer von außerhalb ERWAS

Beteiligte Verbünde BioMethanol BioBZ KEStro

Synergien zwischen den Projekten Kathode zur H2-Erzeugung: BioBZ & BioMethanol Mikroschadstoffe: BioBZ & KEStro

Projektübergreifende Herausforderungen Methoden zur Ableitung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen Integration der BZ in die kommunale Abwasserreinigung Technische Fragestellungen zur mikrobiellen Brennstoffzelle/Elektrolysezelle

Page 28: Nachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser€¦ · Methanol als Wertstoff Lager- und transportfähiger Energieträger Plattform-Molekül für die chemische Industrie

Zusammengefasste Ergebnisse des QT Biobrennstoffzelle

Fruchtbarer Austausch und Diskussion Identifikation von Synergien und Herausforderungen Grundlagenvorträge und Vorträge der Projektbearbeitenden Einbindung von Akteuren außerhalb von ERWAS

Erfolgreicher Workshop Mikrobielle Brennstoff - und Elektrolysezellen“ in Goslar ~ 80 Teilnehmer aus Industrie, Praxis und Forschung

Bericht über die Aktivitäten des QT in der KA-Schwerpunktausgabe zum Thema „Forschung Energie Wasser“

Planung eines Themenbandes „Mikrobielle Brennstoff- und Elektrolysezellen in der Abwasserreinigung“