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© Fraunhofer IFF
HyPerFerment
Ein neues Verfahren zur mikrobiologischen Wasserstofferzeugung
Dr.-Ing. Torsten Birth, Marcel Scheffler M.Eng., Natascha Eggers M.Eng.
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>> Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. <<
(Jules Verne)
Inhalt:
1. Fraunhofer IFF / Konsortium
2. Industriestandorte der Zukunft - Biogasanlage
3. HyPerFerment –Planung und Aktueller Stand
4. Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
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Energiesysteme und Infrastrukturen (ESI)
ERS - Themenschwerpunkte
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Energie- und Ressourceneffiziente Systeme (ERS)
Leiter: Dr.-Ing. Torsten Birth
Power-to-X (PtX)
Umwandlung, Speicherung und sektoren-
übergreifende Nutzung regenerativer Energien
Physikalisches Optimum (PhO)
Grenzwertorientierte Effizienz-Bewertung
von Anlagen, Prozessen mittels Kennzahlen
Ressourceneffizienz (REf)
Nachhaltige Reststoffverwertung
und Ressourcenrückgewinnung
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Energiesysteme und Infrastrukturen (ESI)
Forschung & Entwicklung für Energie- und Ressourceneffiziente Systeme(PtX)
Status quo. Wachsende Einspeisung volatiler Energie ohne
regionale Verwertung stellen Herausforderung für wirtschaftliche
Geschäftsmodelle der Energiewirtschaft dar
PLANUNG UND BETRIEB BEDARFSGERECHTER
POWER-TO-X-KONZEPTE
Entwicklungsziel. Nutzung von PtX-Systemen für sektorenüber-
greifende Integration erneuerbarer Energien/Gase zur Steigerung
der regionalen Wertschöpfung in Mobilität, GHD und Industrie
Forschung und Technologie. Systemisch integrierte Ansätze mit
regenerativen Quellen, Elektrolyse, Brennstoffzelle, Methanisier-
ung, Methanolherstellung und EH2-Mobilität
Projektnutzen
Regionale Verwertung und Nutzungsgraderhöhung
Erneuerbarer Quellen durch Sektorenkopplung
Minderung von CO2-Emissionen ~100%
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Moderne Energiewirtschaft bedarf einer flexiblen
Energiebereitstellung, -speicherung und –verteilung
durch Etablierung einer grüne Wasserstoffwirtschaft
Sektorenkopplung als Schlüssel intelligenten
Vernetzung der Sektoren Elektrizität,
Wärmeversorgung und Mobilität
Herausforderung für
Investitionen & Infrastruktur
Ressourcen & Wissenschaft
Politik und Gesellschaft
Es fehlt bisher:
Umsetzung eines 100% regionalen und
erneuerbarem Leuchtturms
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Industriestandorte der Zukunft - Biogasanlage
Dezentrale Wasserstoffproduktion und -verteilung
Status quo. Wasserstoffversorgung durch grauen Wasserstoff. Fossile
Wasserstoffverteilung auf Trailer und Netzbasis.
BEREITSTELLUNG GRÜNEN WASSERSTOFFS DURCH MODULARE
DEZENTRALE PRODUKTION UND VERTEILUNG
Entwicklungsziel. Implementierung einer modularen Wasserstoff-
produktion durch elektro- und bio-chemische Verfahren. Etablierung
einer nachhaltigen Verteilung am Standort durch einen Modularen und
Mobilen Wasserstoff Port.
Forschung und Technologie. Systemisch integrierte Wasserstoff-
produktion mit Nutzerabhängiger Verteilung des grünen Wasserstoffs
in der Infrastruktur und auf dem Gelände.
intern
Projektnutzen
Nachhaltige Wasserstoffeigenversorgung der Industriestandorte der Zukunft
Reduktion der CO2-Emissionen durch nachhaltige Produktion/Verteilung
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HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand
Status quo. Es fehlt an dezentralen Wasserstoffinfrastrukturen zur
Bereitstellung für Mobilitätsanwendungen auf Basis biologischer Prozesse.
Entwicklungsziel. Mikrobiologische Verfahrensentwicklung zur
fermentativen Wasserstofferzeugung und –bereitstellung an Biogasanlagen
sowie Demonstration.
Forschung und Technologie. Entwicklung einer innovativen Prozessführung
sowie Optimierung anhand physikalisch Optimaler Beziehungen sowie
wissenschaftliche Begleitung der Gasaufbereitung und Verwertung.
Unterstützung bei Reaktordesign und Simulation des Gesamtprozesses.
Kunde: MW Sachsen-Anhalt / BMBF
Partner: MicroPro GmbH, STREICHER Anlagenbau GmbH & Co. KG, innogy SE
intern
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HyPerFerment I
Planung und Aktueller Stand –Projektinhalte & Partner
Projektinhalte. Projektmanagement. Mikrobiologische
Verfahrensentwicklung. Technische Verfahrensentwicklung. Spezifizierung
Gesamtverfahren. Prozesssimulation und –bewertung. Verwertungs- und
Betriebskonzept.
MicroPro GmbH. Ausgestaltung und Optimierung des biotechnologischen
Prozesses. Projektkoordination.
Streicher Anlagenbau GmbH. Konzeptionierung und Auslegung des
technischen Verfahrens. Optimierung der Anlagenteile.
Fraunhofer IFF. Wissenschaftlich technische Begleitung. Prozessführung.
Prozessbewertung. Reaktordesign. Gasaufbereitung.
Projektlaufzeit. Jun. 2019 –Mai 2021
intern
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Dunkelfermentation.
Biologischer Prozess zur
Gewinnung von Wasserstoff aus
Biomasse. [3]
Ziele des Projektes. Durch die
Integration der
Dunkelfermentation soll die
Effizienz einer bestehenden
Biogasanlage gesteigert werden.
PhO. Bewertung der Effizienz der
Anlage mit Hilfe der Methode
des Physikalischen Optimums.
HyPerFerment I –PhO am Beispiel der Dunkelfermentation
Motivation und Ziele des Projektes
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Biogas
Fermenter
Aufbereitung
Biogas-Speicher BHKW
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HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand –Die Effizienzsteigerung
intern
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Stöchiometrie nach Buswell und Boyle.
Umsatz. Die Bewertung des Fermentationsvorganges innerhalb
einer Biogasanlage kann beispielsweise anhand des
Stoffumsatzes erfolgen.
Kein Rückschluss auf Optimierungspotenzial. Ein 100%-iger
Umsatz kann in der Realität nicht erreicht werden.
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HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand –Die Effizienzsteigerung
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Aufwand Nutzen
„Nutzbarer
Anteil des
Aufwandes“
Prozessgrenze
Optimierbare
Verluste
Substrat Vergärbarer
Anteil des
Substrates
Rohbiogas
Unvergärbarer
Anteil des Substrates
Modellierung Messung
HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand –Die Effizienzsteigerung
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Substrat. Als Substrat wird Weizenstroh mit der Summenformel C3.71H6.47O2.75N0.044S0.005 und einem Lignin-
Anteil von 13,19 Mol-% eingesetzt.
100%-iger Umsatz. Unter der Annahme eines vollständigen Umsatzes des Weizenstrohs zu Methan
würden aus einem Mol Substrat 1,96 Mol Methan entstehen.
Physikalisch optimaler Umsatz. In der Realität können auch unter physikalisch optimalen Bedingungen
keine unvergärbaren Stoffe umgesetzt werden. Diese sind daher im Physikalischen Optimum von der
Betrachtung auszuschließen.
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HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand –Die Effizienzsteigerung
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PhO-Faktor. Gegenüberstellung des realen Prozesses und des Physikalischen Optimums.
Optimierungspotenzial. Die ultimative durch Verbesserungsmaßnahmen zu erreichende Grenze der
Optimierbarkeit liegt bei einem PhO-Faktor von 1.
Fermentation. Für das Beispiel der biologischen Stoffumwandlung im Fermenter einer Biogasanlage
ergibt sich der PhO-Faktor aus dem Quotienten des realen und des physikalisch optimal generierbaren
Methans je Mol eingesetztem Substrat.
Validierung anhand von Labordaten.
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HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand –Die Effizienzsteigerung
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Einbezug weiterer Vorgänge im Fermenter. Betrachtung der Wärme-, Wasser- und Co-Substrat-Zufuhr.
Gesamtprozess. Bestimmung des Physikalischen Optimums sämtlicher Einzelprozesse der geplanten
Anlage. Bewertung des Gesamtprozesses unter Berücksichtigung von Einflüssen der Prozesskopplung.
Validierung. Überprüfen des Modells für den physikalisch optimalen Zustand der betrachteten
Einzelprozesse auf Basis von Messwerten.
Übertragung auf chemische Prozesse. Bewertung von chemischen Prozessen auf Basis des
Physikalischen Optimums.
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HyPerFerment I & II
Planung und Aktueller Stand –Die Effizienzsteigerung
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HyPerFerment II
Planung und Aktueller Stand –Projektinhalte & Partner
Projektinhalte. …
MicroPro GmbH. Ausgestaltung und Optimierung des biotechnologischen
Prozesses. Projektkoordination.
-> Adaption der Bakterienstämme, Technikumsversuche, Massenanzucht
Streicher Anlagenbau GmbH. Konzeptionierung und Auslegung des
technischen Verfahrens. Optimierung der Anlagenteile.
-> Anlagenentwicklung und –bau, Gascharakterisierung und -aufbereitung
Fraunhofer IFF. Wissenschaftlich technische Begleitung. Prozessführung.
Prozessbewertung. Reaktordesign. Gasaufbereitung.
-> Modellerweiterung, Verfahrensanpassung, Techno-ökonomische
Bilanzierung
Projektlaufzeit. Okt. 2020 –Sept. 2023
intern
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HyPerFerment II
Planung und Aktueller Stand –Projektplanung
Projektinhalte. Projektmeilensteine:
M14 Umsetzung mikrobiologischer Prozess
M18 Prototypische Demoanlage
M26 Betrieb und Betriebsdatenlieferung
M30 Demo-Nachweis
Projektphasen.
HyPerFerment I: Mikrobiologische Entwicklung
HyPerFerment II: Demonstration
HyPerFerment III: 1. Industrieskalierung
Projektvision.
Brownfield: Bestandanlagensicherung
Greenfield: Zukunft der Biogasanlage als H2-Produzent
intern
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Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Wasserstofffabrik der Zukunft
Status quo. Wasserstoffversorgung durch grauen Wasserstoff. Fossile
Wasserstoffverteilung auf Trailer und Netzbasis.
BEREITSTELLUNG GRÜNEN WASSERSTOFFS DURCH MODULARE
DEZENTRALE PRODUKTION UND VERTEILUNG
Entwicklungsziel. Implementierung einer modularen Wasserstoff-
produktion durch elektro- und bio-chemische Verfahren. Etablierung
einer nachhaltigen Verteilung am Standort durch einen Modularen und
Mobilen Wasserstoff Port.
Forschung und Technologie. Systemisch integrierte Wasserstoff-
produktion mit Nutzerabhängiger Verteilung des grünen Wasserstoffs
in der Infrastruktur und auf dem Gelände.
Projektnutzen
Nachhaltige Wasserstoffeigenversorgung der Industriestandorte der Zukunft
Reduktion der CO2-Emissionen durch nachhaltige Produktion/Verteilung
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© Fraunhofer IFF
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Wasserstofffabrik der Zukunft
vertraulich
Entwicklungsziel
Bedarfsgerechte,
energieeffiziente
sichere Systeme
Dienstleistungsangebot vom heutigen
Konzept bis zur zukünftigen Integration
Verfahrenstechnik
Entwicklungen für
mobile Systeme
werden ergänzt um
Anforderungen der
Systemintegration,
Sektorenkopplung und
Kreislaufwirtschaft.
Beitrag zum
Forschungsfeld
Konvergente
Infrastrukturen
Standortanalyse
Kurzanalysen Standort
Projektvorbereitung
Auswahl, Bewertung
und Auslegung
Sicherheitskonzepte
Projektentwicklung
Vorstudien und
Konzepte
Anlagen und Prozesse
Businessmodelle
Genehmigung
Simulation
Prozesssimulation
CFD-Simulation
Reaktor
Container
Areale
Anlagensysteme
Systemintegration
Modularisierung
Optimierung und
Steuerung im Betrieb
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Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Wasserstofffabrik der Zukunft -H2-DIGITAL Vision
Status quo. Keine zentrale Plattform für die Kompetenzen und Modelle
der FhG zu H2-Prozessen.
BEREITSTELLUNG EINES MINI-MODELL-BAUKASTEN ZUR
ABSCHÄTZUNG UND VISUALISIERUNG VON H2-PROZESSEN
Entwicklungsziel. Implementierung von Mikro-Modellen zur externen
Nutzung und Übergabeoptionen für die institutsspezifische
Weiterverarbeitung.
Forschung und Technologie. Überblicksplattform. Minimodelle.
Systemintegrationsansatz in der H2-Bereitstellung und Verwertung.
Focus Prozessindustrie, gewerbliche Systeme, Kommunen.
Ressourceneffizienz- und Rückgewinnung. Kennzahlensystem.
Basis. Klassische Softwaresysteme Aspen. Unity für Visualisierung. Fixe
Modelle auf gängigen Sprachen und Software –Matlab. dll-Nutzung.
intern
Projektnutzen
Modellplattform und Abschätzungstool für H2-Prozesse
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© Fraunhofer IFF
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Energieregion Staßfurt 2020
Status quo. Die moderne Energiewirtschaft bedarf einer Energiespeicherung
in großen Mengen. Sektorenkopplung als Schlüssel zur Vernetzung von
Elektrizität, Wärme, Mobilität und innovativen Produkten
Entwicklungsziel. Windstrombasiertes Innovationsprojekt zur
Sektorenkopplung am Standort Staßfurt
Forschung und Technologie. Anforderungsanalyse, Konzeptentwicklung,
Systemauswahl und Umsetzungskonzeptionierung durch Algorithmen zum
bedarfsgerechten PtX-Systemdesign. Phasenmodellansatz.
Kunde: MVV Energie AG, Stadtwerke Staßfurt GmbH, Erdgas Mittelsachsen
GmbH, Stadt Staßfurt
intern
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© Fraunhofer IFF
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Energieregion Ostharz (Dardesheim-Wernigerode)
Status quo. Mit auslaufendem EEG scheiden Windparks mit Leistungsgrößen
mehrerer 100 MW aus geförderten Strommarktszenarios aus
Entwicklungsziel. Entwicklung regenerative Sektorenkopplungssysteme für
die Region Ostharz
Forschung und Technologie. Konzeptentwicklung, Systemauswahl und
Umsetzungskonzeptionierung für PtP, PtG, PtH und PtMobility durch
Algorithmen zum bedarfsgerechten PtX-Systemdesign für aus dem EEG
ausscheidende Energie-Anlagen.
Kunde: GCM, Stadtwerke Wernigerode GmbH, RKWH GmbH & Co. KG,
Windpark Druiberg GmbH & Co. KG
intern
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© Fraunhofer IFF
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
MMH2P: Ein Kleinverteilsystem für Industrie- und Gewerbeparks
Status quo. 6 Speichersysteme zu 3,8 kg. 400-450 bar H2Speicherung.
Verdichtung. Tankung. Keine eigene Energieversorgung. XDEMS.
WEITERENTWICKLUNG DER PLANUNG IM RAHMEN DES PROJEKTES
FÜHRT ZU VERBESSERUNG DER LEISTUNG DES TESTTRÄGERS
Entwicklungsziel. Pilot zur Demonstration eines
Wasserstoffkleinverteilsystems im Industrie- und Gewerbepark.
Produktziel. Selbstbestimmende Lieferkette für H2im industriellen nicht
netzgebundenen Umfeld.
Entwicklungsschritte. 4 Speicher zu 214l mit jeweils 480-500bar.
BZ-System integriert zur teilweisen Selbstversorgung.
Projektnutzen
System dient der Insel- und Netztestung im Industrie- und Gewerbepark sowie im H2Netz
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© Fraunhofer IFF
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
MMH2P: Ein Kleinverteilsystem für Industrie- und Gewerbeparks
Status quo. Testumgebung am VTDC des Fraunhofer IFF Magdeburg.
INTEGRATION DER INSELTESTPLATTFORM UND TESTFELD IN
INDUSTRIE- UND GEWERBEPARK MITTELELBE GMBH IN MD
Entwicklungsziel. Etablierung des Testfeldes und
Integration des Testträgers in eine Nutzerinfrastruktur.
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© Fraunhofer IFF
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
MMH2P
Status quo. Virtuelle XDEMS-Entwicklung.
INTEGRATION DER INSELTESTPLATTFORM
UND TESTFELD IN INDUSTRIE- UND
GEWERBEPARK MITTELELBE GMBH IN MD
Entwicklungsziel. Etablierung des Testfeldes
und Integration des Testträgers in eine
Nutzerinfrastruktur.
XDEMS-Entwicklung.
(1) Identifikation von H2-Abnehmerstrukturen
(2) Datenanalyse der Nutzerdaten
(3) Routenentw. mit Vorhersagealgorithmus
(4) Etablierung im Navi-System
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H2-BZHKW
Elektrolyse
BZ
Tankstelle
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•Gefährdungsanalysen unterstützt durch
Simulationen zur Ausbreitung von Gasen
über Leckagen unterschiedlichster Art
•hier: Aufstellungsort am Fraunhofer IFF –
Virtual Development and Training Centre)
Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Gefährdungsanalysen und Simulationen für Mobile Systeme
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Status quo. Die Nutzung des elektrolytisch zur Verfügung gestellten
Sauerstoffs und Wasserstoff in Verbindung mit einer Kläranlage wurde noch
nicht im Kontext Sicherheit untersucht.
Entwicklungsziel. Darlegung und Bewertung
der Auswirkung bei einer Wasserstoff-und
Sauerstoffleckage auf dem Betriebsgelände
einer Kläranlage im städtebaulichen Raum.
Forschung und Technologie. Gefährdungsanalyse für einen Elektrolyseur, der
Sauerstoff anstatt Wasserstoff als Hauptprodukt bereitstellen soll zur
Nutzung in der 4. Reinigungsstufe. Abbildung der Gasausbreitungen und
Gemischbildung in Verbindung mit den Explosionsgrenzen (UEG/OEG).
Kunde: Anleg GmbH
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Ausblick und H2-Fabrik der Zukunft
Gefährdungsanalysen und Simulationen für Mobile Systeme
© Fraunhofer IFF
HyPerFerment
Ein neues Verfahren zur mikrobiologischen Wasserstofferzeugung
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>> Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. <<
(Jules Verne)
Dr.-Ing. Torsten Birth
Fraunhofer IFF Magdeburg
Leiter Energie- und Ressourceneffiziente Systeme (ERS)
Energiesysteme und Infrastrukturen (ESI)
Sandtorstraße 22 | 39106 Magdeburg
Telefon: +49 391 4090-355
E-Mail: torsten.birth@iff.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Torsten Birth, Marcel Scheffler M.Eng., Natascha Eggers M.Eng.
