Die Komponente Power-to-Liquid
Die Komponente Power-to-Liquid bildet die Erzeugung von flüssigen Brennstoffen aus zuzuführendem gasförmigen Brennstoff ab. Überschüssiger elektrischer Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wie zum Beispiel Wind, wird bevorzugt als Energiequelle verwendet, außerdem werden Kälte und Wärme zugeführt.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage Power-to-Liquid.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Erneuerbare Energieträger.
Pins
Die Komponente verfügt über folgende Pins.
Einbindung in ein Schema
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Einbindung der Komponente Power-to-Liquid in ein Schema.
Die zugeführte Wärme (orange) kann aus einem Dampf- oder Warmwasserkreislauf stammen, die mit den Komponenten Wärmeentzug_vom_Dampf oder Wärmeentzug_vom_Warmwasser angeschlossen werden. Die erzeugte Prozesswärme wird entweder mittels Kühlwasser und eines angeschlossenen Kühlturms (Rückkühlers) abgeführt oder in einem Warmwasserkreislauf genutzt.
Besonderheiten
Die Komponente verfügt über vier eingehende Leistungen und eine ausgehende Leistung.
Das Umwandlungsverhältnis und das Nennverhältnis der einzelnen Eingangs- zur Ausgangsleistung sind reziprok definiert:
Gesamtwirkungsgrad = ausgehende Leistung / Summe der eingehenden Leistungen
Umwandlungsverhältnis = eingehende Leistung / ausgehende Leistung
Prozessauswahl
In den Technischen Eingabedaten wählen Sie zunächst, welcher Prozess modelliert werden soll: die Spezifische Methanolsynthese (zur reinen Produktion von Methanol) oder Sonstige Prozesse (eigene Spezifikation, siehe folgende Abbildung).
Die Berücksichtigung der verbrauchten CO2-Menge und daraus resultierender Erlöse ist nur für die Spezifische Methanolsynthese möglich.
Methanolsynthese
Wollen Sie die reine Herstellung von Methanol auswerten, wählen Sie als Prozess die Spezifische Methanolsynthese aus der Drop-down-Liste. Die Methanolsynthese wird mit einem White-Box-Modell abgebildet: Die Ausgabedaten werden auf der Basis der physikalischen Zusammenhänge aus den Eingabedaten ermittelt. Dafür bildet die thermodynamische Berechnung der einzelnen Verfahrensschritte die Grundlage. Folgende Prozessschritte umfasst die Methanolsynthese.
- 1. Kompression von CO2 und H2
- 2. Mischen von CO2 und H2 mit dem Recyclestrom (H2, CO2 und CO)
- 3. Erste Vorwärmung
- 4. Rückwärtige Wassergas-Shift-Reaktion (rWGS): CO2 + H2 \( \rightleftharpoons \) CO + H2O
- 5. Erste Kühlung
- 6. Kondensation des gebildeten Wassers
- 7. Zweite Vorwärmung
- 8. Methanolsynthese: CO + 2 H2 \( \rightleftharpoons \) CH3OH
- 9. Zweite Kühlung
- 10. Separation des Methanols als Endprodukt von den nicht reagierten Ausgangsstoffen (H2, CO2 und CO), die als Recyclestrom zurück in den Prozess zu Schritt 2 geführt werden
Die Auslegungsgrößen in den Technischen Eingabedaten umfassen die Wirkungsgrade für den Kompressor, die Vorwärmung und die Kühlung. Die Wärmerückgewinnungsrate für die prozessintern zurückgewonnene Wärme geben Sie in Prozent an. Die Spezifische Arbeit für den Separator ist die Arbeit, die zur Abscheidung des synthetisierten Brennstoffs geleistet werden muss, ihre Einheit ist kJ/kg bezogen auf die Brennstoffmasse.
In den Technischen Eingabedaten wählen Sie unter Betriebsparameter die Kohlendioxidquelle aus der Drop-down-Liste und geben Sie gegebenfalls den Strombedarf für die CO2-Extraktion an.
Wenn CO2 selbst erzeugt wird, setzen sich die Nennleistung und die Aufgenommene elektrische Leistung aus den Anteilen der benötigten Leistung für die CO2-Extraktion und für die Brennstoffsynthese zusammen, die in den Technischen Ausgabedaten unter der Überschrift Bestandteile der elektrischen Leistungsaufnahme angegeben werden.
In den Wirtschaftlichen Eingabedaten geben Sie den EUA-Preis für CO2-Emissionsrechte an.
Sonstige Prozesse
Für andere Prozesse zur Herstellung flüssigen Brennstoffs, die über die reine Herstellung von Methanol hinausgehen, wählen Sie in der Drop-down-Liste Sonstige Prozesse. Diese werden mit einem Black-Box-Modell abgebildet, das die Ein- und Ausgabedaten miteinander durch rein statistische mathematische Zusammenhänge ohne direkte physikalische Bedeutung verknüpft. Dies betrifft die Umwandlungsverhältnisse von Strom, Wärme, Kälte und benötigtem Brennstoff zu erzeugtem Brennstoff.
Teillastverhalten
Das Teillastverhalten bezieht sich auf die Nennleistung an produziertem Brennstoff \( P_{Brennstoff\ aus} \). Es lässt sich wie bei allen Energiewandlern durch einen konstanten Wirkungsgrad oder Kennlinien bestimmen.
Unter der Überschrift Festlegung der Energieumwandlung wählen Sie die gewünschte energiebezogene Eingabemethode:
Bei der Angabe eines konstanten Umwandlungsverhältnisses ist die Brennstoffnennleistung des erzeugten Brennstoffs bezogen auf den unteren Heizwert Hi anzugeben. Bei Vorgabe der einzelnen Nennumwandlungsverhältnisse werden die Elektrische und die Thermische Nennleistung, die Kältenennleistung und die auf den unteren Heizwert bezogene Brennstoffnennleistung des eingehenden Brennstoffs berechnet und in den Technischen Ausgabedaten angegeben. Bei Vorgabe der Antriebsleistungen werden umgekehrt die Nennverhältnisse berechnet und ausgegeben. Zusätzlich wird das Betriebsverhalten, der Verlauf der einzelnen Leistungen, in den Ausgabedaten angegeben.
Referenzbedingungen für Stoffwerte
Die zur Berechnung der Methanolsynthese verwendeten Stoffwerte beziehen sich nicht auf die DIN- oder ISO-Norm wie in den anderen Komponenten, sondern auf die SATP-Bedingungen (Standard Ambient Temperature and Pressure: 25 °C, 1,013 bar).
Temperaturabhängige Simulation mit vorgegebener Austrittstemperatur
Bei Simulation mit der Stoffeigenschaft Wärme/Kälte temperaturabhängig werden nach der Optimierung der Energiebilanz die Mischungstemperaturen bestimmt. Dazu geben Sie unten im Formular Technische Eingabedaten die Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit an. Weitere Informationen enthält der Artikel über die Besonderheiten der Wärmekomponenten.
Simulation mit Zusammensetzung
Bei der Simulation mit der Stoffeigenschaft Brennstoff mit Zusammensetzung ist Folgendes zu beachten.
Brennstoffmodell gasförmig mit Zusammensetzung
Ist Spezifische Methanolsynthese ausgewählt, wird reiner Wasserstoff benötigt. Ist der über den Pin angeschlossene eingehende Brennstoff kein reiner Wasserstoff, wird bei der Simulation diesbezüglich eine Warnung ausgegeben.
Brennstoffmodell flüssig/fest mit Zusammensetzung
Bei der Spezifischen Methanolsynthese sind die stoffliche Zusammensetzung sowie die Austrittsgrößen Austrittstemperatur und Austrittsdruck für den Prozess festgelegt und fließen als Parameter in die thermodynamische Berechnung ein. Sie sind vom Nutzer nicht frei wählbar.
Bei Sonstigen Prozessen können Sie in den Technischen Eingabedaten die Kenndaten für flüssigen Brennstoff, seine Elementarzusammensetzung und die Stoffeigenschaften der Asche bestimmen (siehe folgende Abbildung).
Technische Ausgabedaten
Unter den Technischen Ausgabedaten (siehe folgende Abbildung) wird die berechnete Aufgenommene elektrische Leistung angegeben. Sie umfasst nicht nur die Flüssigbrennstofferzeugung, sondern, wenn in den Eingabedaten so spezifiziert, auch die Gewinnung von CO2 aus der Luft und die Verdichtung des produzierten Gases. Aus diesem Grund kann die gesamte Aufgenommene elektrische Leistung größer als die Maximale Leistungsaufnahme der reinen Power-to-Liquid-Anlage sein, die sich allein auf die Wasserelektrolyse und die Methanisierung bezieht und die in den Eingabedaten vorgegeben wird. Unter der Überschrift Bestandteile der elektrischen Leistungsaufnahme werden die Anteile der benötigten Leistung für die CO2-Extraktion und für die Brennstoffsynthese an der Nennleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung aufgeführt, wenn CO2 selbst erzeugt wird.
Wirtschaftliche Daten
Neben den üblichen Wirtschaftlichen Eingabedaten können Sie für die Methanolsynthese den EUA-Preis für CO2-Emissionsrechte hinterlegen, da für die Bindung von CO2 im produzierten Brennstoff Erlöse aus EUA für CO2-Emissionsrechte erzielt werden können, die in den Wirtschaftlichen Ausgabedaten der Komponente ausgewiesen und in der wirtschaftlichen Bilanz in der Variantenanalyse sowie im Excelexport des Variantenvergleichs als Betriebserlöse (ohne Energie) berücksichtigt werden. Für die Sonstigen Prozesse wird die für die Produktion verbrauchte CO2-Menge nicht berücksichtigt.
Ökobilanzierung von CO2 und Primärenergie
Wie die Einsparung von CO2 und Primärenergie bilanziert wird, beschreibt der Artikel Funktionsweise der Ökobilanzierung an zwei Beispielen.
