Erzeugung von Erdgassubstitut unter Einsatz kohlenoxid-haltiger Eduktgase - Experimentelle Untersuchung und simulationsgestützte Einbindung in Gesamtprozessketten

Dissertation von Volkmar Frick
Universität Stuttgart, 2013

Im Rahmen der Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien kommt regenerativen chemischen Energieträgern eine besondere Bedeutung zu, da diese eine saisonale Speicherung großer Mengen erneuerbaren Stroms ermöglichen. Regenerativ erzeugtes Methan als Erdgassubstitut hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Infrastruktur zur Verteilung und Speicherung bereits vorhanden ist. Des Weiteren sind Technologien zur Rückverstromung und zur Nutzung als Brenn- oder Kraftstoff bereits Stand der Technik.

Die Methansynthese ist ein wesentlicher Schritt im Rahmen des Power-to-Gas-Prozesses und bei der thermochemischen Konversion von Biomasse. Dabei stellt die starke Wärmetönung der katalytischen Konversion von Kohlenoxiden und Wasserstoff zu Methan eine große Herausforderung dar. Gleichzeitig sind strenge Vorgaben an die zu erreichende Produktgasqualität einzuhalten.

Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst die experimentelle Untersuchung und Bewertung verschiedener Verfahren zur Kontrolle der Temperaturerhöhung in der Katalysatorschüttung und zur Maximierung des Methanertrages. Hierfür kamen verschiedene wandgekühlte Rohrreaktoren zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass die Wärmeentwicklung anhand eines Aktivitätsprofils in der Katalysatorschüttung sowie mittels einer gestuften Eduktzugabe oder einer Rückführung von Produktgas reguliert werden kann. Um einen hohen Methangehalt im Produktgas zu erreichen, sind neben einer präzisen Stöchiometrieeinstellung und einem angemessenen Wassergehalt ausreichende Synthesedrücke und eine geeignete Temperierung des Reaktors vorzusehen.

Ergänzend zu den experimentellen Arbeiten erfolgten Simulationen von Gesamtprozessketten zur Erzeugung von regenerativem Methan mit Hilfe der Prozesssimulationssoftware IPSEpro. Im Fokus stand dabei der Power-to-Gas-Prozess bei Einsatz zweier verschiedener kohlendioxid-haltiger Eduktgase sowie die Konversion von Synthesegas der AER-Biomassevergasung. Hierbei wurden zunächst energetisch günstige verfahrenstechnische Verschaltungen erarbeitet und diese dann anhand von Sankey-Diagrammen veranschaulicht und bewertet. Mittels einer Sensitivitätsanalyse erfolgte eine Untersuchung wesentlicher Prozessparameter in Hinblick auf deren Einfluss auf den Gesamtprozess.

Diese Untersuchungen ermöglichen einen detaillierten Verfahrensvergleich und unterstützen die Auslegung von Methanisierungsprozessen zur Erzeugung von Erdgassubstitut.

Zum Seitenanfang