Wolfgang Marquardt at BASF Science Symposium 2015
Transcript of Wolfgang Marquardt at BASF Science Symposium 2015
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er
Helm
holtz-G
em
ein
schaft
Energy and chemical process
systems: Designing the interface
Creator Space Science Symposium: smart energy for a sustainable future
Ludwigshafen, 13 March, 2015
Wolfgang Marquardt
Forschungszentrum Jülich, Chairman of the Board,
on leave from RWTH Aachen
Mem
ber
of
the H
elm
holtz A
ssocia
tion
Forschungszentrum Jülich – Research for the future Next-generation key technologies
Staff
~ 5,600 employees
incl. ~ 900 PhD students
incl. ~ 330 vocational trainees
and ~ 860 visiting scientists
Annual budget: € 617 million (2013)
Project management:
€ 1,6 billion p.a.
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Helm
holtz-G
em
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A glimpse of the past …
Source: Homepage BASF
The Grid
industrial site
production
… and still the present !?
utilities
electricity
(& heat)
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4
Increasing Energy Efficiency A true success story
CEFIC: Facts and Figures
2012
Is there still
room for further
improvement ?
Seitenzahlen:
Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren.
Add-In installieren
Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
Butadiene telomerization … the catalyst makes the difference
PD/TPP process
PD/TPP deactivated after reaction
high MeOH & butadiene concentration
for low catalyst cost
5
MeOH recovery
..
butadiene
recovery
catalyst recovery
PD/IMes process
PD/IMes recovered by nanofiltration
stoichiometric MeOH feed for low
catalyst cost
butadiene recovery
Recker et al., 2015, in preparation, SYNFLOW project
raw material loss
catalyst & base
separation energy
PD/TPP process 0.6 8.1 8.0 16.7
PD/IMes process 0 1.6 2.4 4.0
all cost in Mio $/year
Rapid screening
with “shortcut”
process synthesis
methods within
min. of CPU time
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Increasing Energy Efficiency A true success story
CEFIC: Facts and Figures
2012
YES, there is
room for further
improvement ?
Still, we should
reconsider our
objectives!
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Why changing a running system? There are game changers …
Written-off coal power plants cheaper than agile gas power plants • constant or even increasing CO2 emissions
• slow dynamics may results in negative electricity prices
Today
Demand Nuclear Coal Gas Regenerative(REG)
Today Future
Nuclear 15
Coal 43
Gas 18
Renew. 25
Sum 101
Le
istu
ng
(in % of demand)
Po
we
r
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Why changing a running system? There are game changers …
Written-off coal power plants cheaper than agile gas power plants • constant or even increasing CO2 emissions
• slow dynamics may results in negative electricity prices
Secure supply via spare power plant („Kapazitätsmarkt“) • high cost of maintenance, extra cost on unit power
Future
Demand Nuclear Coal Gas Regenerative(REG)
Today Future
Nuclear 15 0
Coal 43 44
Gas 18 8
Renew. 25 70
Sum 101 122
Le
istu
ng
(in % of demand)
Po
we
r
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Why changing a running system? There are game changers …
Written-off coal power plants cheaper than agile gas power plants • constant or even increasing CO2 emissions
• slow dynamics may results in negative electricity prices
Secure supply via spare power plant („Kapazitätsmarkt“) • high cost of maintenance, extra cost on unit power
Future
Demand Nuclear Coal Gas Regenerative(REG)
Today Future
Nuclear 15 0
Coal 43 44
Gas 18 8
Renew. 25 70
Sum 101 122
Le
istu
ng
(in % of demand)
Po
we
r
Can we make better use of regenerative power? • renewable energy and demand shifts • renewable energy and high-capacity, long-term storage
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The path forward … from energy consumer to part of the value chain
hydrogen,
fuels,
chemicals heat
mobility
energy & chemicals markets
combustion
electricity
grid
production & on-site
utilities plants The future
battery limits
of
The Chemical
Company?
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Flexible and efficient production of chemicals
Demand-side management: transient operation of production plants
Efficient electrolysis for water splitting
Efficient power-to-chemicals technologies using oxygenated
substrates
Energy storage on industrial sites
Reliable and cost-efficient storage technologies
Efficient chemicals-to-power technologies: fuel cells, …
Integration of chemicals production into the “energy value chain”
Systems integration: technical, environmental & economical viability
Optimal operation of supply chain in transient environment
“Smart” energy and materials management:
integration of planning, scheduling & control
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Research for the future A selection of key topics
Seitenzahlen:
Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren.
Add-In installieren
Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
Demand-side management – ammonia case study
Established ammonia process
steady-state operation
H2 from steam reforming
high emissions (1,7 t CO2/t NH3)
air separation
ammonia
plant
air
H2
N2
NH3 co
nsta
nt
cu
rre
nt
CH4 steam-
reforming
established process
Seitenzahlen:
Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren.
Add-In installieren
Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
Demand-side management – ammonia case study
Established ammonia process
steady-state operation
H2 from steam reforming
high emissions (1,7 t CO2/t NH3)
Novel ammonia process
transient operation
H2 from electrolysis
zero CO2 emission
heat integration with nitric acid
plant for higher efficieny
Process control and optimization for transient proces
base layer control (levels, temperatures, product quality
dynamic real-time optimization for transient load
air separation
ammonia
plant
H2O
air
H2
N2
nitric acid
plant
flu
ctu
atin
g
cu
rre
nt
electrolysis
plant
NH3
evaporation heat
HNO3
new process
Seitenzahlen:
Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren.
Add-In installieren
Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
• cost-optimal design
• design variables capacities (storage, both plants)
reference load trajectories for transient plant
• given power scenario
Transient ammonia plant – optimal design
wind turbines P
t
storage
P
t a stationary &
a transient plant
0
200
400
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
po
we
r (
MW
)
time [day]
Windstromangebot
Verbrauch (TPS 45)
data from 02.2014 [TransnetBW]
optimal power demand (TPS 45)
shutdown threshold
45
wind power supply
0
500
1000
1500
2000
SP TPS 45 TPS100
TPS150
production cost ($/t)
Lifetime of a transient productionsystem, 20 years
10 years
5 years
market price 2009-14 [DOA 2014]
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Flexible and efficient production of chemicals
Demand-side management: transient operation of production plants
Efficient electrolysis for water splitting
Efficient power-to-chemicals technologies using oxygenated substrates
Energy storage on industrial site
Reliable and cost-efficient storage technologies
Efficient chemicals-to-power technologies: fuel cells, …
Integration of chemicals production into the “energy value chain”
Systems integration: technical, environmental & economical viability
Optimal operation of supply chain in transient environment
“Smart” energy and materials management:
integration of planning, scheduling & control
Research for the future A selection of key topics
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Electrolysis for water splitting Driving performance and reducing cost
Electrode & cell research
► Reduction/substitution of precious
metal loading
► Increased performance
► Inexpensive current collectors and
separators
2015 2030 2030
1470
€/k
W
588 related to
overload
196
low temperature electrolysis targets
Systems design and operation
► Scale-up of stack components
► Dynamic operation
► Improved lifetime and efficiency
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Electrolysis for water splitting Process integration to use waste heat
goal for LT
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ein
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Flexible and efficient production of chemicals
Demand-side management: transient operation of production plants
Efficient electrolysis for water splitting
Efficient power-to-chemicals technologies using oxygenated substrates
Energy storage on industrial site
Reliable and cost-efficient storage technologies
Efficient chemicals-to-power technologies: fuel cells, …
Integration of chemicals production into the “energy value chain”
Systems integration: technical, environmental & economical viability
Optimal operation of supply chain in transient environment
“Smart” energy and materials management:
integration of planning, scheduling & control
Research for the future A selection of key topics
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Electrochemical storage Materials – drivers for high performance batteries
Basic Materials
Material Compounds
Components Technology System
All solid state cell
Li / Li7La3Zr2O12 / LiCoO2
In operando analytics:
EPR and NMR
300 320 340 360 380
g = 2.003(1)
B0 [mT]
Ceramic functional
components
Large scale material
synthesis
Assessment of
energy
technologies in an
energy systems
context
Li and post-Li
chemistry
up to cell level
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em
ein
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Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren. Add-In installieren Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
Integrated
SOE/SOFC plant
charge and discharge in
one single plant
no toxic compounds
extension: co-electrolysis
of H2O and CO2 for
synthesis gas production
SOE/SOFC EL/GT/Gen
Specific cost target w/ H2 storage [€/kW] 2000 2000
Round-trip efficiency [%] 40 - 50 25 - 35
CO2 (optional)
Electrochemical storage Integration of electrolysis & fuel cells
Seitenzahlen:
Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren.
Add-In installieren
Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
A novel concept for power-to-chemicals-to-power
High temperature SOE/SOFC integrated with a chemical reaction
charge mode discharge mode
A + H2 → B
A
H2 B
Q
H2O (𝑙) H2O (𝑣)
H2O → H2+1
2O2
H2 / O2
A
H2
B
Q
H2+1
2O2 → H2O
B → A + H2
H2 / O2 H2 / H2O
O2
Wang, Mitsos, Marquardt, 2015, in preparation
ammonia – a promising candidate
• storage in large volume, easy to handle
• substrates are water and air (nitrogen)
• zero (CO2) emission process
N2 + 3 H2 ↔ 2NH3
∆RH = −30.8 kJ/mol H2
Seitenzahlen:
Die Seitenanzeige „1 von
X“ ist nicht
standardmäßig in
Powerpoint verfügbar;
daher benötigen Sie dazu
das mitgelieferte Add-In.
Aktivieren
Nach dem Öffnen der
Vorlage, klicken Sie mit
einem Doppelklick auf die
Datei „RWTH-Addin-
Seitenzahlen“, um das
Add-In zu aktivieren.
Nach dem Schließen von
Powerpoint deaktiviert es
sich automatisch wieder.
Erstellen
Gehen Sie in der
Symbolleiste auf den Tab
„RWTH AddIn“ und
klicken Sie den Button.
Nun stellen sich die
Seitenzahlen automatisch
ein. Falls Sie nachträglich
noch Folien hinzufügen
oder löschen, klicken Sie
einfach erneut auf den
Button, um die
Seitenzahlen zu
aktualisieren.
Add-In installieren
Wenn Sie das Add-In
dauerhaft installieren
möchten, damit Sie es
nicht immer anklicken
müssen, aktivieren Sie
es, klicken auf
„Datei“- „Optionen“-
„Add-Ins“-
Wählen Sie „RWTH
Addin Seitenzahlen“ und
klicken Sie auf „Ok“.
Ammonia-based energy storage system
• zero-discharge process
• a single plant for charge
and discharge
• optimized design with
round-trip efficiency
of 60 %
ammonia-
based plant*
pumped
hydropower plan
invest. cost ($/kW) 2420 1200
invest cost ($/kWh) 4 75
*100 MW / 600 MWh, 200 t NH3, life time 5 yr., 1 cycle p.day
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Flexible and efficient production of chemicals
Demand-side management: transient operation of production plants
Efficient electrolysis for water splitting
Efficient power-to-chemicals technologies using oxygenated substrates
Energy storage on industrial site
Reliable and cost-efficient storage technologies
Efficient chemicals-to-power technologies: fuel cells, …
Integration of chemicals production into the “energy value chain”
Systems integration: technical, environmental & economical viability
Optimal operation of supply chain in transient environment
“Smart” energy and materials management:
integration of planning, scheduling & control
Research for the future A selection of key topics
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Research on HT ceramic cells (SOFC/SOEC/ROB)
Anode-supported
cells
SOFC „Fuel-to-Power“
SOEC „Power-to-Fuel“
ROB „Power-to-Storage“ Intermediate storage of
volatile electricity /
Fuel production
Decentralized
energy supply
Metal-supported
cells
Auxiliary Power Units
20 µm
Substrate
Electrolyte
Cathode
Anode
Barrier
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Flexible and efficient production of chemicals
Demand-side management: transient operation of production plants
Efficient electrolysis for water splitting
Efficient power-to-chemicals technologies using oxygenated substrates
Energy storage on industrial site
Reliable and cost-efficient storage technologies
Efficient chemicals-to-power technologies: fuel cells, …
Integration of chemicals production into the “energy value chain”
Systems integration: technical, environmental & economical viability
Optimal operation of supply chain in transient environment
“Smart” energy and materials management:
integration of planning, scheduling & control
Research for the future A selection of key topics
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FZJ - Living Energy Systems Lab Energy for Research – Research for Energy
transformation distribution
storage
usage
systems design & operation
- data acquisition
- control
- optimization
- planning
Develop FZJ campus
into a Living Lab for
energy systems research
Systems integration and
users‘ participation in day-
to-day operation
Model system for industrial
site or urban community
Develop model-based
tools for energy systems design and operations
Explore potential of (real-
time) HPC
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27
Take-away messages
Continuous improvement of energy efficiency
use optimization-based process synthesis methods
prefer radically different process designs
Leverage opportunities of volatile grid dominated by renewable
energies
integrate energy grid with industrial chemicals production
migrate from heat to electricity as preferred energy carrier
exploit demand shifts by transient plant operation
integrate chemicals production with (long-term) energy storage system
Assess new business opportunities
develop stand-alone power-to-X-to power technologies
prepare for storage rather than power plant capacity market
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Thank you for your attention !