Katalytische Methanisierung

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1 WIR SCHAFFEN WISSEN HEUTE FÜR MORGEN Tilman Schildhauer :: Paul Scherrer Institute Katalytische Methanisierung Expertengespräche Power-to-Gas,

2 Power-to-Gas (PtG) Schema Methanisierung besonders im Sommer nötig Wind Wasser Sonne CO 2, CO H 2 von Elektrolyse Power-to-Gas Methanisierung Gasaufbereitung H 2 O, (CO 2 ) CO H 2 CH H 2 O H 2, CH 4, (CO 2 ) H 2 -Membran Methan (CH 4 )

3 Kohlenstoffquellen für Power-to-Gas/CH 4 Nicht alle Verfahren sind für jede C-Quelle geeignet Industrielles Abgas, Luft Grüngut, (industrielle) Abwasserreinigung Vergärung trockene Biomasse (Holz, Stroh etc.) Vergasung CO 2 Abtrennung Gasreinigung H 2 von Elektrolyse Power-to-Gas Methanisierung Gasaufbereitung H 2 O, (CO 2 ) BHKW H 2, CH 4, (CO 2 ) H 2 -Membran Methan (CH 4 )

4 Technologien Methanisierung Methanisierung Katalytisch Biologisch Festbett Wirbelschicht Seite 4

5 Katalysator bewegen: besserer Wärmetransport Steigende Gas-Geschwindigkeit Picture adapted by: Visual Encylopedia of Chemical Engineering, University of Michigan (2018) Festbett Blasenbildende Stossen Turbulentes Wirbelschicht Regime Page 5

6 Wie exotherme Methanisierung beherrschen? Adiabates Festbett - Kühlung in Festbetten ist begrenzt: lokal sehr starke Wärmefreisetzung - Temperaturanstieg («run-away») fast nicht zu vermeiden Wärmefreisetzung (proportional zu CO x Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht ~ r DHr Kühlung ~ DT A HX U T Kühlung Temperatur , T.J. Schildhauer Page 6

7 Wie exotherme Methanisierung beherrschen? Adiabates Festbett - Rezirkulations-Kühlung - Serielle Anordnung mehrerer Reaktoren mit Zwischenkühlung Wärmefreisetzung (proportional zu CO x Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht ~ r DHr Stabilitätsgrenze Katalysator Temperatur , T.J. Schildhauer Page 7

8 Beispiele für Anlagen mit adiabaten Festbetten Qinghua Anlage: grösste Methanisierung der Welt (coal-to-sng) Power-to-Gas mit SOEC in Foulum GoBiGas plant (wood-to-sng)

9 Wie exotherme Methanisierung beherrschen? Gekühltes Festbett - Starke Temperaturspitze nicht zu vermeiden - Ab dort Reaktionsfortschritt im Gleichschritt mit Kühlung Wärmefreisetzung (proportional zu CO x Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht ~ r DHr Stabilitätsgrenze Katalysator Temperatur , T.J. Schildhauer Page 9

10 Power-to-Gas Anlagen mit CO 2 aus Biogas Festbettmethanisierung in Werlte (D) Festbettmethanisierung Regelbetrieb seit 2013, Input: 6 MW el, Output: 3 MW SNG Seite 10

11 Katalytische Wirbelschicht oder Blasensäule - Katalysatorbewegung verteilt Wärme im ganzen Reaktor - Deutlich bessere Kühlung durch höheres U und vergrösserte A HX - Anpassung von Druck und Flussrate erlaubt (dynamische) Lastwechsel Wärmefreisetzung (proportional zu CO x Umsatz) Thermodynamisches Gleichgewicht Kühlung ~ DT A HX U ~ r DHr T Kühlung Temperatur Page 11

12 Entwicklungsschritte Wirbelschicht Für verschiedene Anwendung: Biogas, CO 2 und Holzgas COSYMA (TRL 4/5) 10 kw GanyMeth (TRL 6/7) kw PDU BioSNG (TRL 7/8) MW

13 Demonstration Direkte Methanisierung Biogas Wirbelschichtmethanisierung, Zürich Werdhölzli (CH) Gasometer Spuren/Störstoffe Wasser CO 2 Biomethan Demonstrationsanlage für 2 Nm 3 /h reales Gas Katalytische Methanisierung im Wirbelschicht Reaktor Betrieb mit Einspeisung ins Netz Seite 13

14 Demonstration Direkte Methanisierung Biogas Wirbelschichtmethanisierung, Zürich Werdhölzli (CH) Gasometer Spuren/Störstoffe Wasser CO 2 Biomethan Demonstrationsanlage für 2 Nm 3 /h reales Gas Katalytische Methanisierung im Wirbelschicht Reaktor h Betrieb im Jahr 2017 Seite 14

15 Prozess Simulation Wie Einspeisequalität erreichen (>96% CH 4, <2% H 2 )? Evaluation der Prozesse: Wird geforderte Erdgasnetzqualität von Biomethan erreicht? Was sind die optimale Betriebsbedingungen? Wo liegen die Hauptkosten? Biogas Festbett Methanisierung Festbett Meth. Trocknung ODER Wirbelschicht Methanisierung Kondensator Wasser ODER Membran Biomethan Wasserstoff aus erneuerbarem Strom CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Seite 15

16 Resultate: Wirkungsgrade (Brennwert/HHV-Basis) Ähnlich für alle katalytischen Prozesse (hier: WS & Membran) Elektrolyse: 1655 kw Strom Annahme: η el H 2 = 77 %, Rest Abwärme Wasserstoff: 1274 kw η Meth = 78 % Methanisierung Kondensator Membran Biogas: CH 4 : 1217 kw Einsetzbare Prozesswärme: 18 % η el Meth = 59 % Biomethan: CH 4 : 2201 kw H 2 : 14 kw Concentrations: CH 4 : 97.5 vol-% H 2 : 2 vol-% CO 2 : 0.5 vol-%

17 Kostenschätzung (Zuschlagsfaktoren-Methode) CAPEX und OPEX werden von Elektolysekosten dominiert Verfahren mit Wirbelschicht sind etwas günstiger als solche mit Festbett Unterschiede CAPEX sind etwas kleiner als Fehler der Methode ( + / %) BFB... Wirbelschicht FB... Festbett Mem... Membran Seite 17

18 Technologie-Vergleich Methanisierung Aspekt Temperaturniveau Wärmerückgewinnung Gekühltes Festbett (Hitachi Zosen Inova) Blasenbildende Wirbelschicht (PSI/TKE) Biologisch (electrochaea, Microbenergy) Gas-Aufbereitung nötig für < 2% H 2? ja ja Je nach Durchsatz Tief-Entschwefelung nötig? << 1 ppm vor Reaktor << 1 ppm vor Reaktor < 3ppm nach Reaktor Reaktorgrösse (hoher Durchsatz) Olefine und Aromaten im Feed (C 2 H 4, C 6 H 6 ): Komplexität Gasreinigung Technischer Reifegrad (TRL) , [8] Demo- oder kommerzielle Anlage Werlte (3 MW SNG ) GanyMeth (200 kw SNG ) Güssing (1 MW SNG ) BioCat (500 kw SNG ) [Solothurn, Dietikon] Seite 18

19 Wir schaffen Wissen heute für morgen My thanks go to P. Dietiker, A. Kunz (e360 ) S. Biollaz, P. Jansohn (PSI) ESI-Team BfE, FoGa, CCEM, Empa, Biosweet/Innosuisse Whole TCP group: Construction team Operation team Scientific team Seite 19

20 Power-to-Gas (PtG) Schema Besonders im Sommer nötig Wärme Industrie Wind Wasser Sonne H 2 O Anwendung Elektrolyse H 2 Gas-Netz CO 2 Methanisierung CH 4 CO H 2 CH H 2 O Speicherung Seite 20