Short description
(German)
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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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Short description
(English)
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The Energy Perspectives 2050+ show that Switzerland is likely to continue importing electricity and heat in winter also in the future. This project investigates the contribution that "Renewable Metal Fuels" can make as CHP elements of the building stock a) to cover the local demand for electricity and heat and b) to feed electricity into the grid to support the energy system. This reduces winter peaks of the energy demand, and therefore, the need for (natural) gas CHP plants in Switzerland.
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Short description
(French)
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Les perspectives énergétiques 2050+ montrent que la Suisse devra probablement continuer à importer de l'électricité et de la chaleur en hiver. Ce projet examine la contribution que les "Renewable Metal Fuels" peuvent apporter en tant qu'éléments de cogénération du parc immobilier a) à la couverture des besoins locaux en électricité et en chaleur et b) à l'injection d'énergie électrique dans le réseau et donc à la stabilisation du système énergétique. Cela réduit le besoin de centrales électriques au gaz (naturel) pour couvrir les pics de consommation en hiver.
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Publications / Results
(German)
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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.
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Publications / Results
(French)
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La liaison des métaux avec l’oxygène libère d’énormes quantités d’énergie. Par conséquent, l’aluminium et d’autres métaux peuvent être utilisés pour stocker l’électricité renouvelable, afin de produire de la chaleur et de l’électricité en hiver. Des chercheurs de la Haute école spécialisée de Suisse orientale ont évalué quels métaux sont particulièrement adaptés au stockage, à l’entreposage et au déstockage de l’énergie et dans quelle mesure ils pourraient contribuer à combler le déficit énergétique hivernal par des énergies renouvelables.
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Final report
(German)
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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.
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Final report
(English)
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Renewable Metal Fuels (ReMeF) are sustainable seasonal energy storage solutions that may deliver heat and power for buildings and reduce greenhouse gas emissions by replacing current fossil-fuel based systems in winter. ReMeF are metals (M) that are produced from their oxides (MXOY) by stripping oxygen (O2) in a process that consumes renewable energy (Power-to-Metal). ReMeF are high density energy carriers that can be stored loss free for as long as needed and transported over long distances. When or where energy is needed, ReMeF can be oxidized again in either a single step using oxygen, or in two steps, of which the first is a metal-water reaction that produces hydrogen (H2) and metal-hydroxide, and the second is oxidizing the hydrogen to produce electricity and heat. In order to close the material cycle, metal-hydroxide is then converted to metal-oxide that can be used in the production of new ReMeF. Thus, the material cycle of a ReMeF energy storage cycle is closed and meets the criteria of a circular economy.
Within the PeakMetal project, the focus was on
1. screening and rating metallic elements as candidates for ReMeF, selecting the most promising ones
2. evaluating the potential to reduce possible future winter energy gaps with the most promising ReMeF candidates for low temperature metal-water reactions
Screening and rating revealed that aluminium, iron, and silicon are the most promising candidates for ReMeF. Main advantages are their high abundance - they are the most abundant elements in the earth’s crust besides oxygen - low cost and ease of handling as they are neither toxic nor highly reactive.
Power-to-Metal charging
The metallurgic industry of today uses carbon as a reducing agent for converting metal oxides to aluminium, iron or silicon. In this process, CO2 is produced and emitted. It is therefore crucial for the use of metals as ReMeF, that the reduction of metal oxides is performed with new technologies such as inert anode electrolysis for aluminium or direct reduction by hydrogen for iron. The TRL of these new, CO2-emission-free, Power-to-Metal processes is highest for hydrogen reduction of iron (TRL 6/7), followed by inert aluminium smelting (4-7) and similar technologies for silicon (4). The energetic efficiency of Power-to-Metal up to the point where the material is shaped into its desired form and stored until winter is estimated to reach 50 to 60%.
Metal-to-Energy discharging
When these metals are activated to react with water, hydrogen and heat are produced. The share of stored energy that converts to hydrogen compared to heat is highest (almost 100%) for the iron discharge process, and thus the share of electricity after hydrogen conversion in a fuel cell is much higher for iron (50%) than for aluminium and silicon. The metal-water reactions of aluminium and silicon are highly exothermic, and half of the stored energy is
released as heat, which leads to a metal-to-electric efficiency of roughly 25%. On the other hand, the energy density is considerably higher for aluminium and silicon compared to iron, both on a volumetric (>20 MWh/m3 vs. 12 MWh/m3) as well as on a gravimetric base (> 8.5 kWh/kg vs. 2 kWh/kg). Advantages of ReMeF compared to other long term Power-to-X storage options are:
•very high energy density, in particular per volume
•ease of transport
•non toxic and non explosive
•relatively low cost
•no need for cryogenic or pressurized storage vessels
•no carbon involved that needs to be (re)-captured at some point for climate neutrality
Potential to cover winter peak demand
Different scenarios of the Swiss energy system in the year 2050 were simulated, starting from the energy perspectives 2050+. Instead of producing hydrogen with electrolysers in summer and using fuel cells in winter to convert it to electricity again, the potential to produce ReMeF with excess summer electricity was evaluted. Subsequently, the potential to use ReMeF in multifamily buildings for the production of heat and electricity in winter was estimated, covering much of the heating and electricity demand of the buildings as well as feeding electricity into the grid in order to reduce a possible winter-gap of energy supply. The results show for a Swiss energy system with high penetration of photovoltaics (45 TWhel/a) a remaining winter gap of electricity of 8 – 9 TWhel without ReMeF. Limiting the capacity of metal-to-energy conversion units to 10 kWth installed in every multifamily building that is not connected to district heating, this winter gap could be reduced to 2-3 TWhel, if aluminium- or silicon-water reactions are used for Metal-to-Energy. Using iron, which has a much higher share of electric output compared to thermal output, Switzerland would be able to export 2-4 kWhel in winter with the otherwise same assumptions. Naturally, not all multifamily buildings will be equipped with ReMeF. However, additional potential exists for ReMeF in district heating and for industrial heat and electricity, which is not yet included in the above presented numbers.
Global warming
For Power-to-Metal based on carbon free metal production (TRL 4-7), the climatic effect of all considered ReMeF is determined by the greenhouse gas emissions of the electricity used for the Power-to-Metal process. This value must be lower than 35 – 50 gCO2-eq./MJ in order to reduce global warming when replacing a mini CHP (Combined Heat and Power) unit that is based on natural gas. Electricity generation with such low GWP can be achieved with hydro and wind energy (1-3 gCO2-eq./MJ) or with rooftop PV (10 gCO2-eq./MJ). Installing ReMeF CHP in multifamily buildings in Switzerland with an average of 10 kWth per building can reduce the winter gap of energy supply. Compared to achieving the same goal with natural gas turbine power plants, it would save greenhouse gas emissions of more than 3 Mio tCO2eq per year.
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Final report
(French)
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Les combustibles métalliques renouvelables (ReMeF) sont des solutions durables de stockage saisonnier de l'énergie qui peuvent fournir de la chaleur et de l'électricité aux bâtiments et réduire les émissions de gaz à effet de serre en remplaçant en hiver les systèmes actuels basés sur les combustibles fossiles. Les ReMeF sont des métaux (M) qui sont produits à partir de leurs oxydes (MXOY) par extraction de l'oxygène (O2) dans un processus qui consomme de l'énergie renouvelable (Power-to-Metal). Les ReMeF sont des vecteurs d'énergie à haute densité qui peuvent être stockés sans perte aussi longtemps que nécessaire et transportés sur de longues distances. Lorsque l'énergie stockée est nécessaire, les ReMeF peuvent être oxydés à nouveau, soit en une seule étape en utilisant de l'oxygène, soit en deux étapes, dont la première est une réaction métal-eau qui produit de l'hydrogène (H2) et de l'hydroxyde métallique, et la seconde est l'oxydation de l'hydrogène pour produire de l'électricité et de la chaleur. Pour clore le cycle des matériaux, l'hydroxyde métallique est ensuite converti en oxyde métallique qui peut être utilisé dans la production de nouveaux ReMeF. Ainsi, le cycle des matériaux d'un cycle de stockage d'énergie ReMeF est fermé et répond aux critères d'une économie circulaire.
Dans le cadre du projet PeakMetal, l'accent a été mis sur :
1.la sélection et l'évaluation des éléments métalliques candidats au ReMeF et la sélection des éléments les plus prometteurs
2.l'évaluation du potentiel de réduction des déficits énergétiques hivernaux éventuels grâce aux candidats ReMeF les plus prometteurs pour les réactions métal-eau à basse température
La sélection et l'évaluation ont révélé que l'aluminium, le fer et le silicium sont les candidats les plus prometteurs pour le ReMeF. Leurs principaux avantages sont leur abondance - ce sont les éléments les plus abondants dans la croûte terrestre après l'oxygène -, leur faible coût et leur facilité de manipulation, car ils ne sont ni toxiques ni très réactifs.
Chargement "Power-to-Metal
L'industrie métallurgique actuelle utilise le carbone comme agent réducteur pour convertir les oxydes métalliques en aluminium, en fer ou en silicium. Ce processus produit et émet du CO2. Il est donc crucial pour l'utilisation des métaux comme ReMeF que la réduction des oxydes métalliques soit effectuée à l'aide de nouvelles technologies telles que l'électrolyse à anode inerte pour l'aluminium ou la réduction directe par l'hydrogène pour le fer. Le TRL de ces nouveaux procédés "Power-to-Metal" sans émission de CO2 est le plus élevé pour la réduction du fer par l'hydrogène (TRL 6/7), suivi de la fusion de l'aluminium inerte (4-7) et de technologies similaires pour le silicium (4). L'efficacité énergétique du procédé "Power-to-Metal" jusqu'au moment où le matériau est façonné dans la forme souhaitée et stocké jusqu'à l'hiver est estimée à 50 à 60 %.
Décharge métal-énergie
Lorsque ces métaux sont activés pour réagir avec l'eau, ils produisent de l'hydrogène et de la chaleur. La part de l'énergie stockée qui se convertit en hydrogène par rapport à la chaleur est la plus élevée (presque 100%) pour le processus de décharge du fer, et la part de l'électricité après conversion de l'hydrogène dans une pile à combustible est donc aussi beaucoup plus élevée pour le fer (50%) que pour l'aluminium et le silicium. Les réactions métal-eau de l'aluminium et du silicium sont fortement exothermiques et la moitié de l'énergie stockée est libérée sous forme de chaleur, ce qui conduit à un rendement métal-électricité d'environ 25 %. D'autre part, la densité énergétique est considérablement plus élevée pour l'aluminium et le silicium que pour le fer, tant sur une base volumétrique (>20 MWh/m3 vs. 12 MWh/m3) que sur une base gravimétrique (> 8,5 kWh/kg vs. 2 kWh/kg). Les avantages de ReMeF par rapport à d'autres options de stockage à long terme Power-to-X sont les suivants:
•une densité énergétique très élevée, en particulier par volume
•facilité de transport
•non toxique et non explosif
•coût relativement faible
•pas besoin de récipients de stockage cryogéniques ou pressurisés
•pas de carbone impliqué qui doit être (re)capturé à un moment ou à un autre pour être neutre sur le plan climatique
Possibilité de couvrir les pics de demande en hiver
Différents scénarios du système énergétique suisse en 2050 ont été simulés, à partir des perspectives énergétiques 2050+. Au lieu de produire de l'hydrogène avec des électro-lyseurs en été et d'utiliser des piles à combustible en hiver pour le convertir à nouveau en électricité, le potentiel de production de ReMeF avec l'électricité excédentaire de l'été a été évalué. Par la suite, nous avons considéré la possibilité d'utiliser ReMeF dans des immeubles collectifs pour produire de la chaleur et de l'électricité en hiver, tout en couvrant une grande partie des besoins en chaleur et en électricité des bâtiments et en fournissant de l'électricité supplémentaire au réseau, ce qui contribue à réduire une éventuelle pénurie hivernale. Les résultats montrent, pour un système énergétique suisse à forte pénétration de photovoltaïque (45 TWhel/a), un déficit hivernal résiduel d'électricité de 8 à 9 TWhel sans ReMeF. En limitant la capacité des unités de conversion du métal en énergie à 10 kWth installées dans chaque bâtiment multifamilial non raccordé au chauffage urbain, ce déficit hivernal pourrait être réduit à 2-3 TWhel, si les réactions aluminium ou silicium-eau sont utilisées pour la conversion du métal en énergie. En utilisant le fer, dont la part de la production électrique est beaucoup plus élevée que celle de la production thermique, la Suisse serait en mesure d'exporter 2 à 4 kWhel en hiver avec les mêmes hypothèses. Naturellement, tous les bâtiments multifamiliaux ne seront pas équipés de ReMeF. Cependant, il existe un potentiel supplémentaire pour ReMeF dans le chauffage urbain et pour la chaleur et l'électricité industrielles, qui n'est pas encore inclus dans les chiffres présentés ci-dessus.
Réchauffement climatique
En utilisant le procédé Power-to-Metal soit basé sur une production de métal sans carbone (TRL 4-7), l'effet climatique de tous les ReMeF considérés est déterminé par les émissions de gaz à effet de serre de l'électricité utilisée pour le procédé Power-to-Metal. Cette valeur doit être inférieure à 35-50 gCO2-eq./MJ afin de réduire le réchauffement climatique lors du remplacement d'une mini unité de cogénération au gaz naturel. La production d'électricité avec un PRP aussi faible peut être obtenue avec l'énergie hydraulique et éolienne (1-3 gCO2-eq./MJ) ou avec l'énergie photovoltaïque en toiture (10 gCO2-eq./MJ). L'installation de la cogénération ReMeF dans des immeubles collectifs en Suisse, avec une moyenne de 10 kWth par immeuble, peut réduire le déficit hivernal de l'approvisionnement en énergie. Par rapport à la réalisation du même objectif avec des centrales électriques à turbine à gaz naturel, cela permettrait d'économiser des émissions de gaz à effet de serre de plus de 3 millions de tCO2 eq par an.
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