To defossilize sectors and industries such as heavy transport, air traffic and the chemical industry, green alternatives to today's oil and gas-based products will be needed in the future. The Chair of Energy Systems (CES) is focusing on biomass-based chemicals and fuels, as these are a direct substitute for fossil resources and are essential for reducing anthropogenic greenhouse gas emissions. With its current review paper on the electrification of Biomass-to-X processes (BtX), the LES is proposing a promising direction.

The focus of the production processes outlined is biomass gasification - a proven process pathway known as Biomass-to-X (BtX), with applications in catalytic synthesis to produce green chemicals and fuels. Since biomass is a finite resource, product yield must be maximized for efficient use. Electrification is a promising route that offers several advantages over conventional BtX and electricity-based processes (Power-to-X, PtX). Electrification options are divided into direct and indirect processes. While in indirect processes hydrogen from water electrolysis is fed into the process (Power-and-Biomass-to-X, PBtX), in direct electrification (eBtX) electricity is integrated into certain process steps and offers high efficiency by converting electricity into various forms of energy such as heat, electrochemical energy or plasma.

In the CES analysis, various electrification options are examined with regard to their process yield and maturity, technological feasibility, plant location, footprint and dynamic operation. In particular, the addition of hydrogen to PBtX processes is the focus of interest, as it offers significantly improved carbon efficiency and product yield. The technology has a high level of technological maturity, and the system and process advantages are supported by extensive simulation work in the literature. However, a research gap in direct electrification (eBtX) is pointed out, indicating a lower level of technological maturity and a lack of comprehensive studies at both plant and system level.

DOI: 10.1039/D3EE02876C (Review Article)

Kontakt: Marcel Dossow, Sebastian Fendt

A recent study, sheds light on the significant role biomass can play in the transition to sustainable energy. The research delves into various biomass-to-x pathways, comparing six key products derived from entrained flow gasification. Methanol emerges as a promising option with low costs, while hydrogen-based products require a comprehensive evaluation, especially in the context of CO2 abatement costs. This study underscores the importance of strategic planning for a sustainable and economically viable shift towards biomass-derived synthetic fuels. Link to the paper

Deutsch-brasilianische Innovationskooperation in der grünen Energie- und Wasserstoffforschung

11. – 21. September 2023

Auf dem Weg hin zu nachhaltiger Energieinnovation veranstaltete der TUM-Lehrstuhl für Energiesysteme kürzlich eine Roadshow im Rahmen des Internationalen Zukunftslabors REDEFINE H2E im Süden Brasiliens. Die Roadshow diente deutschen und brasilianischen Forschern als Plattform, um Möglichkeiten der Zusammenarbeit auszuloten, insbesondere in den Bereichen Power-to-X, Wasserstofferzeugung und nachhaltige Flugkraftstoffe (SAF) aus Biomasse.

Die Initiative steht im Einklang mit den strategischen Zielen des REDFINE H2E-Projekts, bei der dem TUM-Lehrstuhl für Energiesysteme Partnerschaften mit prominenten Institutionen im Energiesektor geschlossen hat. Während der Roadshow vom 11. bis 15. September 2023 besuchte das TUM-Team wichtige brasilianische Partner, darunter das Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), die Universität von Campinas (UNICAMP, ebenfalls im REDEFINE Strateg  ic Advisory Board vertreten), das Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) und die Bundesuniversität von Rio de Janeiro (UFRJ).

Die gemeinsamen Anstrengungen deutscher und brasilianischer Forscher in Verbindung mit dem REDEFINE H2E International Future Laboratory umfassen verschiedene Forschungsbereiche entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Dazu gehören die elektrisch unterstützte Vergasung (e-gas), reversible Festoxidzellen (rSOC), die biokatalytische Synthese (Biocat) sowie die sorgfältige Betrachtung und Modellierung auf Systemebene (SLAM) zur Optimierung der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette.

Die Roadshow wurde durch einen gemeinsamen Workshop mit der UFRJ im Rahmen des BayIntAn-Projekts ergänzt. Dieser Workshop, der vom 18. bis 21. September 2023 am Institut Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE) der UFRJ stattfand, stand ganz im Zeichen der Zusammenarbeit zwischen deutschen und brasilianischen Experten. Ziel dieser interdisziplinären Zusammenarbeit war es, innovative Lösungen für eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln, indem der Wissensaustausch zwischen Wissenschaftlern aus den Bereichen Wasserstoff, erneuerbare Energien und chemische Verfahrenstechnik gefördert wurde.

Unter anderem nahmen Partner des Instituts für Energieplanung (PPE) an dem 4 tägigen Workshop teil. Die Gruppe ist auf Lebenszyklusanalysen (LCA) und die Entwicklung von Geschäftsfällen spezialisiert. Das Laboratory of Nano and Microfluidics and Microsystems stellte ihr bahnbrechendes Projekt "enerGente" am Fachbereich Maschinenbau vor, das solarthermisch betriebene Entsalzung mit integrierter Wasserstofferzeugung kombiniert. Dieses Projekt steht im Einklang mit dem Schwerpunkt auf nachhaltigen Technologien und alternativen Energielösungen und war daher ein zentraler Bestandteil der Diskussionen. Der Workshop fand auch im Fachbereich Chemieingenieurwesen statt, wo Experten für numerische Strömungsmechanik (CFD), angewandte Thermodynamik und Themen wie Wasserstoffderivate, C1-Folgechemie, Katalysatortests und Biomassepyrolyse aufschlussreiche Diskussionen führten.

Die Zusammenarbeit zeigt das Engagement für die Gestaltung der Zukunft nachhaltiger Energielösungen und das große Interesse an der Förderung enger Partnerschaften auf diesem Gebiet. Der TUM-Lehrstuhl für Energiesysteme bedankt sich bei allen Partnern und Förderern, die zum Erfolg dieser Initiativen beigetragen haben.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMWF) fördert das Projekt REDEFINE H2E unter dem Förderkennzeichen 01DD21005.

Der Workshop zwischen TUM-LES und COPPE-UFRJ wurde durch die Bayerische Forschungsallianz unter dem Förderkennzeichen BayIntAn_TUM_2023_116 im Rahme des Bayerischen Hochschulförderprogramms zur Anbahnung und Vertiefung internationaler Forschungskooperationen gefördert.

In einer neuen Veröffentlichung im Journal „Advanced Sustainable Systems“  mit dem Titel „Performance Requirements of Membrane Reactors for the Application in Renewable Methanol Synthesis: A Techno-Economic Assessment“ betrachten die Autoren die Herstellung von erneuerbarem Methanol mit Hilfe von Membranreaktoren. Zu diesem Zweck wurde ein 1-D Python Modell des Membranreaktors mit der Prozesssimulationssoftware Aspen Plus gekoppelt und Parameterstudien durchgeführt. Anschließend wurden die Ergebnisse in einer techno-ökonomischen Bewertung genutzt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Membranreaktoren zwar Kosten reduzieren können bei der Methanol Synthese, jedoch muss für diesen Zweck die Wasserstoffpermeanz gering gehalten und eine hohe Wasserpermeanz erreicht werden. Außerdem muss die Membran bei Lebensdauern von etwa 2 Jahren unter 1000€ pro m² kosten.

Artikel verfügbar unter (open access): https://doi.org/10.1002/adsu.202200254

Kontakt: Vincent Dieterich