@article{SternerSpecht, author = {Sterner, Michael and Specht, Michael}, title = {Power-to-Gas and Power-to-X-The History and Results of Developing a New Storage Concept}, series = {Energies}, volume = {14}, journal = {Energies}, number = {20}, publisher = {MDPI}, doi = {10.3390/en14206594}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-26202}, abstract = {Germany's energy transition, known as 'Energiewende', was always very progressive. However, it came technically to a halt at the question of large-scale, seasonal energy storage for wind and solar, which was not available. At the end of the 2000s, we combined our knowledge of both electrical and process engineering, imitated nature by copying photosynthesis and developed Power-to-Gas by combining water electrolysis with CO2-methanation to convert water and CO2 together with wind and solar power to synthetic natural gas. Storing green energy by coupling the electricity with the gas sector using its vast TWh-scale storage facility was the solution for the biggest energy problem of our time. This was the first concept that created the term 'sector coupling' or 'sectoral integration'. We first implemented demo sites, presented our work in research, industry and ministries, and applied it in many macroeconomic studies. It was an initial idea that inspired others to rethink electricity as well as eFuels as an energy source and energy carrier. We developed the concept further to include Power-to-Liquid, Power-to-Chemicals and other ways to 'convert' electricity into molecules and climate-neutral feedstocks, and named it 'Power-to-X'at the beginning of the 2010s.}, language = {en} } @misc{SternerHeberl, author = {Sterner, Michael and Heberl, Michael}, title = {The ORBIT-Project: Biological methanation in a trickle-bed reactor - key results and next steps}, series = {5th Nuremberg Workshop on Methanation and 2nd Generation, N{\"u}rnberg Friedrich-Alexander-Universit{\"a}t, 28.05.2021}, journal = {5th Nuremberg Workshop on Methanation and 2nd Generation, N{\"u}rnberg Friedrich-Alexander-Universit{\"a}t, 28.05.2021}, organization = {Friedrich-Alexander-Universit{\"a}t Erlangen-N{\"u}rnberg / Lehrstuhl f{\"u}r Energieverfahrenstechnik}, language = {en} } @techreport{ThemaKaulSterneretal., author = {Thema, Martin and Kaul, Anja and Sterner, Michael and Heberl, Michael}, title = {Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors f{\"u}r die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen-Mikroorganismen in Power-to-Gas-Anlagen}, doi = {10.2314/KXP:1815321555}, abstract = {Das {\"u}bergeordnete Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer technologischer M{\"o}glichkeiten f{\"u}r den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen1 in Power-to-Gas-Anwendungen. Im Gegensatz zur technisch ausgereiften chemisch-katalytischen Methanisierung sind hier noch Potenziale zur Optimierung verfahrenstechnischer und biologischer Prozesse f{\"u}r das Speicherkonzept Power-to-Gas [7] vorhanden. Dabei sollte zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und f{\"u}r die Hochskalierung vorbereitet werden. Zum anderen sollte eine Kombination optimal geeigneter Mikroorganismen und Packungsmaterialien selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor analysiert werden. Das Verhalten des entwickelten Systems sollte zun{\"a}chst im Labor- und Technikumsmaßstab und anschließend im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage untersucht werden. Hauptziel w{\"a}hrend des Feldtests war die Produktion von einspeisef{\"a}higem Methan sowie dessen Einspeisung ins Gasnetz. Ein Hauptziel des Projektes war es, die Normung und Standardisierung notwendiger Systemparameter und Semantik zur Beschreibung und Einbindung biologischer Methanisierungseinheiten in Power-to-Gas-Anlagen voranzutreiben. Dies sollte zum einen die Vergleichbarkeit der wissenschaftlichen Erkenntnisse verbessern und zum anderen unterst{\"u}tzend bei der Kommerzialisierung der Technologie wirken. Aus dem Projekt heraus wurde so die neue Normungsreihe VDI 4635 Power-to-X beim Verein Deutscher Ingenieure angestoßen.}, language = {de} } @article{GaertnerRankHeberletal., author = {G{\"a}rtner, Sebastian and Rank, Daniel and Heberl, Michael and Gaderer, Matthias and Dawoud, Belal and Haumer, Anton and Sterner, Michael}, title = {Simulation and Techno-Economic Analysis of a Power-to-Hydrogen Process for Oxyfuel Glass Melting}, series = {Energies}, volume = {14}, journal = {Energies}, number = {24}, publisher = {MDPI}, doi = {10.3390/en14248603}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-22713}, abstract = {As an energy-intensive industry sector, the glass industry is strongly affected by the increasingly stringent climate protection targets. As established combustion-based production systems ensure high process stability and glass quality, an immediate switch to low greenhouse gas emission processes is difficult. To approach these challenges, this work investigates a step-by-step integration of a Power-to-Hydrogen concept into established oxyfuel glass melting processes using a simulation approach. This is complemented by a case study for economic analysis on a selected German glass industry site by simulating the power production of a nearby renewable energy park and subsequent optimization of the power-to-hydrogen plant performance and capacities. The results of this study indicate, that the proposed system can reduce specific carbon dioxide emissions by up to 60\%, while increasing specific energy demand by a maximum of 25\%. Investigations of the impact of altered combustion and furnace properties like adiabatic flame temperature (+25 °C), temperature efficiency (∆ξ = -0.003) and heat capacity flow ratio (∆zHL = -0.009) indicate that pure hydrogen-oxygen combustion has less impact on melting properties than assumed so far. Within the case study, high CO2 abatement costs of 295 €/t CO2-eq. were determined. This is mainly due to the insufficient performance of renewable energy sources. The correlations between process scaling and economic parameters presented in this study show promising potential for further economic optimization of the proposed energy system in the future.}, language = {en} } @techreport{GerhardsWeberKlafkaetal., author = {Gerhards, Christoph and Weber, Urban and Klafka, Peter and Golla, Stefan and Hagedorn, Gregor and Baumann, Franz and Brendel, Heiko and Breyer, Christian and Clausen, Jens and Creutzig, Felix and Daub, Claus-Heinrich and Helgenberger, Sebastian and Hentschel, Karl-Martin and von Hirschhausen, Christian and Jordan, Ulrike and Kemfert, Claudia and Krause, Harald and Linow, Sven and Oei, Pao-Yu and Pehnt, Martin and Pfennig, Andreas and Pr{\"a}ger, Fabian and Quaschning, Volker and Schneider, Jens and Spindler, Uli and Stelzer, Volker and Sterner, Michael and Wagener-Lohse, Georg and Weinsziehr, Theresa}, title = {Klimavertr{\"a}gliche Energieversorgung f{\"u}r Deutschland - 16 Orientierungspunkte}, series = {Diskussionsbeitr{\"a}ge der Scinetists for Future ; 7}, journal = {Diskussionsbeitr{\"a}ge der Scinetists for Future ; 7}, doi = {10.5281/zenodo.4409334}, abstract = {Als fairer Beitrag Deutschlands zur Einhaltung der globalen 1,5-Grad-Grenze werden 16 Orientierungspunkte f{\"u}r eine klimavertr{\"a}gliche Energieversorgung vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass hierf{\"u}r die deutschen energiebedingten CO2-Emissio­nen in etwa 15 Jahren weitgehend auf Null sinken m{\"u}ssen. Energieeinsparung hilft, den notwendigen Ausbau von regenerativen Erzeugungskapazit{\"a}ten zu verringern. Der Verkehrssektor kann ebenso wie die Bereiche Prozess- und Geb{\"a}udew{\"a}rme hier­zu wesentlich beitragen. Die Kernenergie ist mit großen Risiken belastet und kann nicht hinreichend schnell aufgebaut werden. Biomasse in Form von Energie­pflan­zen zu nutzen, ist ineffizient und steht im Konflikt mit anderen Arten der Land­nut­zung. Importe klimaneutral erzeugter Energietr{\"a}ger in sehr großem Umfang er­for­dern extrem große Investitionen im Ausland. Sie sind eine ungesicherte Option auf die Zukunft. Entscheidend ist daher der ausreichend schnelle Ausbau von Photovoltaik (PV) und Wind­kraft in Deutschland. Sch{\"a}tzungsweise kann der Elektrizit{\"a}tsbedarf im Jahr 2030 z.B. durch den Ausbau auf ca. 350 GW PV und ca. 150 GW Windkraft nahe­zu voll­st{\"a}ndig regenerativ gedeckt werden. Damit ließe sich eine zum großen Teil elek­tri­fizierte Mobilit{\"a}t und W{\"a}rmeversorgung betreiben und ein Teil des ben{\"o}­tig­ten "gr{\"u}­nen" Wasserstoffs in Deutschland bereitstellen. Hierf{\"u}r ist ein j{\"a}hr­licher Zu­bau von durchschnittlich ca. 30 GW PV und ca. 9 GW Windkraft n{\"o}tig. Dies ist ca. sechs- (PV) bzw. dreimal (Wind) so hoch wie bisher vorgesehen und verlangt eine ge­sell­schaft­liche Kraftanstrengung. Ein weiter verz{\"o}gerter Ausbau m{\"u}sste mit noch deut­lich gr{\"o}ßeren gesellschaftlichen Anstrengungen f{\"u}r drastische Energieeinspa­run­gen oder Importe erneuerbarer Energie ausgeglichen werden. Insgesamt k{\"o}nnte dies noch deutlich schwieriger zu realisieren sein, als ein ambitionierter Ausbau. Da der Auf­bau der Kapazit{\"a}ten mehrere Jahre erfordert, ist es m{\"o}glich nachzusteuern, z. B. wenn erkennbar wird, dass sich ein ausreichend großer globaler Markt f{\"u}r Importe ent­wi­ckelt. Bis dahin ist es aus Verantwortung gegen­{\"u}ber der Zukunft und im Sinne des Pariser Vertrages empfehlenswert, die hier genannten Ausbauziele zu verfol­gen. Gr{\"u}ner, also aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff und daraus abge­lei­tete Syntheseprodukte sind f{\"u}r die Dekarbonisierung von Industrieprozessen, den Flug- und Schiffsverkehr sowie f{\"u}r die Absicherung der Energieversorgung bei Dun­kel­flauten n{\"o}tig. Ohne die genannten Ausbauziele f{\"u}r Wind und Solar noch drastisch weiter zu erh{\"o}hen, stehen diese Produkte f{\"u}r Straßenverkehr und W{\"a}rmeversor­gung jedoch nicht in ausreichenden Mengen zur Verf{\"u}gung. Techniken zum Aus­gleich zwischen Elektrizit{\"a}tsangebot und -nachfrage sind verf{\"u}gbar und sollten recht­zeitig auf- bzw. ausgebaut werden. Hierzu geh{\"o}ren: Stromaustausch mit den Nach­barl{\"a}ndern, Flexibilisierung des Verbrauchs und Energiespeicherung. F{\"u}r deren Inte­gration sowie den Ausbau der Netze sollten z{\"u}gig verbesserte rechtliche Rah­men­bedingungen geschaffen werden. Die Kosten eines klimavertr{\"a}glichen Energiesystems sind mittel- bis langfristig nicht h{\"o}­her als im derzeitigen System. Gleichzeitig entstehen Arbeitspl{\"a}tze und Export­chan­cen durch Aufbau, Betrieb und Wartung einer regenerativen Energieversorgung in Deutschland und die energetische Geb{\"a}udesanierung. Die politischen Rahmenbe­din­gungen entscheiden, ob eine klimavertr{\"a}gliche Energieversorgung Deutschlands ge­lingt.}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Wie wird Deutschland klimaneutral? Neue L{\"o}sungen f{\"u}r erneuerbare Energieerzeugung}, series = {Jahreskonferenz der Stiftung Nagelschneider zur Erforschung, M{\"u}nchen, 19.11.2021}, journal = {Jahreskonferenz der Stiftung Nagelschneider zur Erforschung, M{\"u}nchen, 19.11.2021}, address = {M{\"u}nchen}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Strom - W{\"a}rme - Verkehr - Industrie: das Zusammenspiel der Sektoren {\"u}ber Power-to-X}, series = {Deutscher Ingenieurtag 2021, D{\"u}sseldorf 20. Mai 2021}, journal = {Deutscher Ingenieurtag 2021, D{\"u}sseldorf 20. Mai 2021}, publisher = {VDI-Verlag}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Power-to-X for Europes Energy Transformation - Booster H2Global}, series = {Hydrogen Online Workshop Conference (Mission Hydrogen), 25.03.2021}, journal = {Hydrogen Online Workshop Conference (Mission Hydrogen), 25.03.2021}, language = {en} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Technologieausblick Solarstromspeicher}, series = {Innovationsforum Photovoltaik, 18. Oktober 2021, Linz}, journal = {Innovationsforum Photovoltaik, 18. Oktober 2021, Linz}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Gas aus einer Gesamtenergieversorgungsperspektive - Warum wir Power-to-X f{\"u}r die Klimaneutralit{\"a}t brauchen}, series = {Kopernikus-Konferenz Projekt "Ensure" (Deutsche Umwelthilfe), 15. April 2021}, journal = {Kopernikus-Konferenz Projekt "Ensure" (Deutsche Umwelthilfe), 15. April 2021}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Gr{\"u}ner Wasserstoff - wo wir ihn brauchen f{\"u}r die Klimaneutralit{\"a}t}, series = {Energiewendeforum Wasserstoff (Gr{\"u}ner Strom Label e. V.), Bonn, 21. September 2021}, journal = {Energiewendeforum Wasserstoff (Gr{\"u}ner Strom Label e. V.), Bonn, 21. September 2021}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Die Grenzen des Wasserstoff-Hypes}, series = {1. Mitteldeutscher Wasserstoffkongress, 2. November 2021, Leuna CCE Kulturhaus}, journal = {1. Mitteldeutscher Wasserstoffkongress, 2. November 2021, Leuna CCE Kulturhaus}, language = {de} } @unpublished{KaulBoellmannThemaetal., author = {Kaul, Anja and B{\"o}llmann, Andrea and Thema, Martin and Kalb, Larissa and St{\"o}ckl, Richard and Huber, Harald and Sterner, Michael and Bellack, Annett}, title = {Identification of Robust Thermophilic Methanogenic Archaea and Packing Material for High Liquid Hold-Up at Low Volumetric Gas Flow Rates for Use in Trickle-Bed Reactors for Biological Methanation}, series = {SSRN Electronic Journal}, journal = {SSRN Electronic Journal}, doi = {10.2139/ssrn.3940878}, abstract = {he hydrogen gas-to-liquid mass transfer is the limiting factor in biological methanation. In a trickle-bed reactor, mass transfer can be increased by high flow velocities in the liquid phase, by adding a packing material with high liquid hold-up, or by choosing methanogenic archaea with a high methane productivity. This study analyzed various packings and methanogenic strains from a hydrodynamic and microbial perspective. By analyzing twelve pure cultures of thermophilic methanogens for their ability to produce high quality methane and to form biofilms on different packings, strains of Methanothermobacter were found to perform better than thus of the genus Methanothermococcus. Best methane production and adherence was observed on DuraTop®, Bioflow 9, and filter foam. DuraTop® and Bioflow 9 had also a high dynamic liquid hold-up, but the maximum hold-up was determined for expanded clay. The ideal combination for use in the ORBIT-trickle-bed reactor was identified as Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5 and DuraTop®.}, language = {en} } @article{ThemaWeidlichKauletal., author = {Thema, Martin and Weidlich, Tobias and Kaul, Anja and B{\"o}llmann, Andrea and Huber, Harald and Bellack, Annett and Karl, J{\"u}rgen and Sterner, Michael}, title = {Optimized biological CO2-methanation with a pure culture of thermophilic methanogenic archaea in a trickle-bed reactor}, series = {Bioresource Technology}, journal = {Bioresource Technology}, number = {333}, publisher = {Elsevier}, doi = {10.1016/j.biortech.2021.125135}, abstract = {In this study, a fully automated process converting hydrogen and carbon dioxide to methane in a high temperature trickle-bed reactor was developed from lab scale to field test level. The reactor design and system performance was optimized to yield high methane content in the product gas for direct feed-in to the gas grid. The reaction was catalyzed by a pure culture of Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5, which formed a biofilm on ceramic packing elements. During 600 h in continuous and semi-continuous operation in countercurrent flow, the 0.05 m3 reactor produced up to 95.3 \% of methane at a methane production rate of 0.35 mCH43mR-3h-1. Adding nitrogen as carrier gas during startup, foam control and dosing of ammonium and sodium sulfide as nitrogen and sulfur source were important factors for process automation.}, language = {en} } @incollection{BauerGawlikSterneretal., author = {Bauer, Franz and Gawlik, Julia and Sterner, Michael and Hamacher, Thomas}, title = {{\"U}bergreifende Energiesystemmodellierung}, series = {Optionen f{\"u}r ein nachhaltiges Energiesystem mit Power-to-X-Technologien: Transformation - Anwendungen - Potentiale. 3. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X, Phase II}, booktitle = {Optionen f{\"u}r ein nachhaltiges Energiesystem mit Power-to-X-Technologien: Transformation - Anwendungen - Potentiale. 3. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X, Phase II}, editor = {Ausfelder, Florian and Dura, Hanna Ewy}, publisher = {DECHEMA Gesellschaft f{\"u}r Chemische Technik und Biotechnologie e.V.}, address = {Frankfurt a.M.}, isbn = {978-3-89746-236-6}, pages = {19 -- 33}, language = {de} } @misc{SternerSchumm, author = {Sterner, Michael and Schumm, Leon}, title = {Netzpuffer - Speicher \& Kraftwerke als virtuelle Leitungen f{\"u}r mehr Versorgungssicherheit und EE-Integration in Nord und S{\"u}d}, series = {7. Smart-Grid-Fachtagung WAGO, Hannover, 29. Sept. 2021}, journal = {7. Smart-Grid-Fachtagung WAGO, Hannover, 29. Sept. 2021}, language = {de} } @techreport{SternerSchummRanketal., author = {Sterner, Michael and Schumm, Leon and Rank, Daniel and Hofrichter, Andreas}, title = {Intelligente Netzpuffer : Abschlussbericht (24.01.2021)}, language = {de} }