Optimierte Prozesskette zur ressourceneffizienten Methanolsynthese

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1 Optimierte Prozesskette zur ressourceneffizienten Methanolsynthese CO 2 -Plus, 1. Statuskonferenz, Berlin, Siegfried Bajohr, Nike Trudel Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger Brennstofftechnologie, EBI ceb KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Projektübersicht Projektziel Entwicklung einer innovativen Prozesskette zur Synthese der C1-Basischemikalie Methanol bei Verzicht auf fossile Rohstoffe oder ausschließlich unter Verwendung von zwangsweise anfallenden Nebenprodukten. Projektpartner Eckdaten Gefördert vom BMBF (CO 2 Plus - Stoffliche Nutzung von CO 2 zur Verbreiterung der Rohstoffbasis) Laufzeit: 3 Jahre ( ) 2 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

3 Einführung in OptiMeOH? 3 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

4 Einführung in OptiMeOH 4 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

5 Einführung in OptiMeOH 5 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

6 Einführung in OptiMeOH 6 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

7 Einführung in OptiMeOH 7 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

8 AP 1: Druckfermentation y i,mr in Vol.-% Ziel: Entwicklung einer Prozesskette zur MeOH-Synthese auf Basis der 2-stufigen Druckfermentation (DF) Einstellung des optimalen CH 4 /CO 2 - Verhältnisses für die nachfolgenden Synthesen Techno-ökonomische Bewertung x Experiment Berechnungen Methan CO p Druckfermentation in bar Biomasse Hydrolyse Gas CO 2, H 2 Hydrolyse p HR p U T = 55 C Gärrest (solid) Membran Verfahrensprinzip: Gärrest (liquid) Flash Gas CO 2, CH 4 Entspannen der Fermenterfl. Methanogenese p MR = bar T = 37 C Rohbiogas y CH4 =f (p MR ), CO 2 Räumliche Trennung von Hydrolyse und Methanogenese Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute durch Anpassung von T und ph-wert an die Mikrobiologie Steigerung der Energieeffizienz durch Betrieb der Methanogenese bei p 8 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

9 AP 1: Druckfermentation Besondere Herausforderung: Fest-Flüssigtrennung zwischen Hydrolyse und Methanogenese Fest-Flüssigtrennung mit modifiziertem Lamellenabscheider / Schrägklärer 9 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

10 AP 1: Druckfermentation Aktueller Stand: Simulation der Druckfermentation unter OptiMeOH-Bedingungen (p MR = 20 bar) abgeschlossen Basic Engineering abgeschlossen Detail Engineering abgeschlossen Investment für 5 MW Szenario Druckfermentation 20 bar BGA, Stand der Technik 8 11 * Mio. 8,5 9,5 ** Mio. * abhängig vom Material der Druckreaktoren ** ohne Einspeiseanlage Ergebnisse & Ausblick: Investment für DF höher aufgrund der Verwendung von Druckreaktoren Betriebskosten für DF geringer wegen Energieeinsparung bei Gasreinigung Ökonomisch und ökologisch sinnvolle Nutzung der Nebenproduktströme (z. B Hydrolysegas, Flashgas)? 10 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

11 AP 2: Wabenreformierung Ziel: Dimensionierung eines Wabenreaktors zur Biogasreformierung Methode: Kopplung des Wärmetransports in Wabenkörpern mit der Reaktionskinetik der Methanreformierung => Reaktorauslegung 11 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

12 AP 2: Wabenreformierung Betriebsparameter Energie Methanolsynthese Biomasse Druckfermentation Methanreformierung Methanol H 2 O Produktgas (Druckferm.): - p = 20 bar y CH4 = 83 Vol.-% - y CO2 = 16 Vol.-% - y H2O = 1 Vol.-% Anforderung (MeOH-Synthese): - p = bar - CO/CO 2 -Verhältnis y H2 = Vol.-% - y H2S < 0,1 ppmv 12 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

13 AP 2: Wabenreformierung Thermodynamik & Betriebsparameter SN H2O Anteil H2 Anteil Umsatz (CH4) (Feed) (Syngas) p = 20 bar, CO/CO 2 = 5 4 3,6 3,2 Volumenanteil y i in Vol. % ,8 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 stoechiometric number SN Konzept: Temperatur T in C Reaktionsenthalpie wird durch Recyclegas-Unterfeuerung aufgebracht => Unvollständige Methanumsetzung in Reformierung O.K Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

14 AP 2: Wabenreformierung Einbindung in Prozesskette Energie (Unterfeuerung) Recycle Methanolsynthese Biomasse Druckfermentation Methanreformierung Methanol H 2 O Reformierung bei 800 C und S/C = 1 => Anforderungen MeOH-Synthese (CO/CO 2 5, SN 2) werden erfüllt! 14 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

15 AP 3: Aufbereitung von Industriegasen Ziel: Erhöhung der MeOH Produktionskapazität durch Einbindung von Industriegasen (H 2, CO 2 ) Entwicklung eines Aufbereitungsverfahrens zur energieeffizienten CO 2 - Bereitstellung durch Einsatz von ionischen Flüssigkeiten (IL) C/H/O von DF H 2 CO 2 aus alternativen Quellen, z. B. Biogas oder ISH (Chloralkalielektrolyse / Klärschlammverbrennung) Aufbereitung/ Vorkonditionierung Feed Gas MeOH- Synthese Vorgehensweise: Adaption des Betriebskonzeptes und der Verfahrenstechnik zur Nutzung von IL Projektierung der CO 2 -Bereitstellung: Biogas und Klärschlammverbrennung Techno-ökonomische Analyse in Zusammenarbeit mit keep-it-green 15 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

16 AP 3: Aufbereitung von Industriegasen Aktueller Stand: Simulation des Anwendungsfalls 5 MW Biogas durchgeführt Entwicklung einer geeigneten Verfahrenskonfiguration (DVGW) Durchführung eines Basic Engineering (keep it green) läuft derzeit an Biogasaufbereitungsverfahren Ergebnisse & Ausblick: Das IL basierte Verfahren ermöglicht Energieeinsparungen > 50 % im Vergleich zum SdT der Biogasaufbereitung Techno-ökonomisch Analyse und Simulation des Anwendungsfalls Klärschlammverbrennung (am Standort Höchst) laufen derzeit 16 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

17 AP 4: Methanolsynthese in der Blasensäule Ziel Entwicklung eines Syntheseverfahrens für kleine und mittlere Anlagengrößen Beschreibung von Kinetik und Hydrodynamik der Methanolsynthese in der Blasensäule AP4.1 Experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der Reaktionskinetik der Dreiphasen-Methanolsynthese AP4.2 Entwicklung einer optischen Sonde zur Messung der Blasenmorphologie 17 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

18 AP 4.1: Untersuchung der Kinetik der Dreiphasen- Methanolsynthese Ziele des Arbeitspaketes Identifizierung einer geeigneten Kombination aus Katalysator und Flüssigphase für die Dreiphasen-Methanolsynthese KAT-Tests hinsichtlich Aktivität und Stabilität Stabilität Flüssigphase und Wechselwirkungen KAT Flüssigphase Reaktion Beschreibung der Einflüsse von CO 2 und H 2 O auf die Reaktion (Langzeit-)Versuche mit variierender Gaszusammensetzung Ermittlung eines formalkinetischen Ansatzes zur Beschreibung der 3PMeOH-Synthese Mathematische Auswertung/Beschreibung der gesammelten Messdaten Mathematische Beschreibung des Reaktors für Auslegung/Scale-up 18 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

19 AP 4.1: Untersuchung der Kinetik der Dreiphasen- Methanolsynthese Screening der Flüssigphase Kriterien: Thermische Stabilität bei ~ 250 C unter Einwirkung von H 2 Niedriger Dampfdruck Gute Edukt-Löslichkeit Vorauswahl: Dibenzyltoluol ( ) Squalan (C 30 H 62 ) Oktadecan (C 18 H 38 ) 19 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

20 AP 4.1: Untersuchung der Kinetik der Dreiphasen- Methanolsynthese Aktueller Stand Aufbau und Inbetriebnahme der Versuchsapparatur abgeschlossen Vorauswahl von Katalysatoren und Wärmeträgerflüssigkeiten Weiteres Vorgehen Untersuchung der Stoffpaarungen (Kat./Flüssigphase) auf Stabilität Untersuchung der Einflussparameter T R, c i,l im Autoklaven-Reaktor Ermittlung eines formalkinetischen Ansatzes 20 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

21 AP 4.2: Hydrodynamik in Blasensäulen Zielsetzung Optische Charakterisierung des Dreiphasensystems der Blasensäule Aufschluss über lokale Hydrodynamik Bereitstellung eines Online-Monitorings zur Prozessüberwachung Methodik Anpassung einer innovativen optischen Durchlichtmesstechnik an den hohen Druck- und Temperaturbereich Erarbeitung geeigneter Softwarealgorithmen zur Bildauswertung Herausforderungen Druck-/Temperaturbereich Opake Medien Diskretisierung der Phasen (Blasen, Feststoff) 21 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

22 AP 4.2: Hydrodynamik in Blasensäulen Bisherige Ergebnisse Entwicklung einer Messtechnik für 3-Phasensystem Konzept Konstruktion Auslegung Umsetzung Prototypenfertigung Optimierung der Konzepte (CFD) DN 100 Kolonne TUK, Versuchsstand Messung 22 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

23 WP 5: Ökobilanz Entwicklungsbegleitende Ökobilanz, um Hot Spots frühzeitig festzustellen und den Entwicklern mitzuteilen Funktionelle Einheit: 1 kg Methanol (99,85% Reinheit) Optimierung der Prozesskette und Wärmekonzept sind in Arbeit hohes Einsparpotential möglich Output Emissionen & Abfälle Substrat- Bereitstellung Druck- Fermentation (+ Biogas- Aufbereitung) Methan- Reformierung Methanol- Synthese (+ Produkt- Aufbereitung) 1kg CH 3 OH (99,85%) Input Ressourcen (Stoff- und Energieströme) 23 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

24 WP 5: Life Cycle Assessment Kohlenstoffbilanz als Grundlage für die Ökobilanz Kohlestoffeffizienz wird ausgebaut Erstes Ergebnisse sind vorhanden ~50 % Einsparung im THG im Vergleich zu Erdgas basiertem Methanol möglich Hydrolysegas: 26 Ma.-% C Flash Gas 2: 9 Ma.-% C Zukünftig als Wärmequelle genutzt Substrat 100 Ma.-% C Hydrolysegärrest: 29 Ma.-% C Methanogenesegärrest: 29 Ma.-% C Thermisch verwertetes Methan : 29 Ma.-% C Methanol: 26 Ma.-% C Kompostierung (Dünger) Methan Reformierung Produkt 24 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

25 AP 6 : Wirtschaftlichkeit Ziel des Arbeitspakets Eine möglichst effiziente Prozesskette zur Herstellung von Methanol unter Berücksichtigung von ökologischen und ökonomischen Aspekten Aufgaben Kostenanalyse basierend auf Produktions- und Investitionskosten für die Modell Standorte unter Berücksichtigung des durchgeführten Scale-ups Potentialanalyse der OptiMeOH-Technologie durch den Vergleich zu anderen konkurrierenden Prozessen der Methanolherstellung Untersuchung der Wettbewerbsfähigkeit der OptiMeOH-Prozesskette gegenüber Power-to-X -Technologien 25 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

26 AP 6 : Wirtschaftlichkeit Betrachtete OptiMeOH Szenarien Prozessketten aus drei Szenarien werden bearbeitet Szenario 1: 3-5 MW (H s ) Methan, Standort Mühlacker Szenario 2: 20 MW (H s ) Methan, Standort Höchst Szenario 3: 80 MW (H s ) Methanolanlage, Standort Höchst Prozessketten und Unterfälle für Szenario 2 CH 4 u. CO 2 aus Biogasanlage; zusätzlicher H 2 in MeOH Synthese CH 4 u. CO 2 aus Druck Fermentation; kein zusätzlicher H 2 in MeOH Synthese CH 4 u. CO 2 aus Druck Fermentation; zusätzlicher H 2 und CO 2 in MeOH Synthese 26 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 27 Siegfried Bajohr CO 2 Plus, 1. Statuskonferenz, 17./ Engler-Bunte-Institut, Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, EBI ceb