wolfgang marquardt at basf science symposium 2015

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Helm

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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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3

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;

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das mitgelieferte Add-In.

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„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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6

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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Secure supply via spare power plant („Kapazitätsmarkt“) • high cost of maintenance, extra cost on unit power

Future


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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9




Secure supply via spare power plant („Kapazitätsmarkt“) • high cost of maintenance, extra cost on unit power

Future


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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10

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

11

Research for the future A selection of key topics

Seitenzahlen:


X“ ist nicht

standardmäßig in




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Button, um die

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„Add-Ins“-

Wählen Sie „RWTH



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:


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standardmäßig in




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„Add-Ins“-

Wählen Sie „RWTH



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

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Wählen Sie „RWTH



• 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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Efficient power-to-chemicals technologies using oxygenated substrates

Energy storage on industrial site









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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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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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Seitenzahlen: Die Seitenanzeige „1 von

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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:


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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:


X“ ist nicht

standardmäßig in




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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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24

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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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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ein

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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 !