Herzlichen Glückwunsch an Christoph Mettke zu seiner Diplomarbeit

Am 12. Februar 2024 verteidigte Herr Christoph Mettke erfolgreich seine Diplomarbeit zum Thema „Bilanzierung und Modellierung von Power-to-Fuel-Prozessen". Die Gutachter zeigten sich begeistert und bewerteten die Arbeit, betreut von Thaddäus Weniger (M.Sc.), mit der Note 1,0.

Die Aufgabe bestand darin, verschiedene Power-to-Fuel-Technologien (PtF) vorzustellen, zu vergleichen und ein geeignetes Verfahren für die Installation auszuwählen, beispielsweise an einem Müllheizkraftwerk-Standort. Müllheizkraftwerke bieten den Vorteil, dass sie bereits über eine etablierte Infrastruktur und einen stetigen Strom von teilbiogenen Stoffen verfügen und somit als Kohlenstoffquelle für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe besonders interessant sind. Hierbei sollte die energetische und stoffliche Bilanzierung der Prozesse sowie deren Modellierung und die Betrachtung verschiedener Betriebskonzepte berücksichtigt werden.

Das Ziel der Arbeit bestand darin, herauszufinden, welche PtF-Prozesse gut geeignet sind, um die Produktion von nachhaltigen Basischemikalien oder Kraftstoffen umzusetzen und damit zur Defossilisierung des Industrie- und Verkehrssektors beizutragen.

Herr Mettke kam zu folgendem Schluss:

„In einem zukünftigen Energiesystem, welches fast vollständig auf erneuerbaren Energien beruht, wird es mittelfristig trotzdem noch CO2-Emittenten geben, deren Emissionen so weit wie möglich verringert werden sollten. Dies kann zum Beispiel bei Müllheizkraftwerken durch eine Abtrennung und Nutzung des CO2 erfolgen. Für die Betreiber dieser Kraftwerke ist es außerdem interessant, weitere Optionen als den Stromverkauf zur Verfügung zu haben, besonders in Zeiten geringer Strompreise.

Aus diesen Gründen wurden für ein Müllheizkraftwerk verschiedene Flexibilisierungsoptionen untersucht, die für beide Herausforderungen Lösungen anbieten. Es wurde sich dabei auf die Fischer-Tropsch-Synthese und Methanolsynthese fokussiert. Beide benötigen als Eingangsstoffe CO2 und Wasserstoff, um Treibstoffe bzw. Chemikalien zu erzeugen, die auch mittelfristig noch benötigt werden. Im hier untersuchten Prozess soll das CO2 aus den Rauchgasen des Kraftwerks abgetrennt und Wasserstoff mit Hilfe eines Elektrolyseurs hergestellt werden.

Nach einer Bilanzierung beider Syntheseprozesse erwies sich im energetischen und stofflichen Vergleich die Methanolsynthese als vorteilhafter. Für diese sollten zwei Betriebsstrategien in Kombination mit einem Müllheizkraftwerk miteinander verglichen werden. Zur Simulation dieser Betriebsstrategien wurden in der Programmiersprache Modelica mit einigen Zusatzbibliotheken Modelle für die relevanten Anlagen erstellt. 

In der Auswertung der Simulationsergebnisse erwies sich für das Jahr 2019 ein strompreisorientierter Betrieb als wirtschaftlich sinnvoller als ein kontinuierlicher Betrieb der Anlagen. Allerdings wurde ebenfalls festgestellt, dass ohne eine CO2-Bepreisung der Müllheizkraftwerke der Stromverkauf im Jahr 2019 die höchsten Gewinne erzielte.“  

Eine Weiterentwicklung der bestehenden Modelle zu einer ausführlicheren techno-ökonomischen Betrachtung ist in anschließenden studentischen Arbeiten angedacht.