Prozessoptimierung für die Methanisierung von CO₂ – vom Labor zum Technikum

Process optimisation for the Methanation of CO₂ – from a laboratory to an industrial scale

  • In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die über die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Maßstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung für die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor präparierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Größen zur Beschreibung der Aktivität der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivität bezüglich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Umsätze und Ausbeuten von über 90% und Selektivitäten von nahezu 100% gemessen. Durch eine Änderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes können die optimalen Prozessbedingungen für die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen undIn dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die über die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Maßstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung für die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor präparierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Größen zur Beschreibung der Aktivität der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivität bezüglich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Umsätze und Ausbeuten von über 90% und Selektivitäten von nahezu 100% gemessen. Durch eine Änderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes können die optimalen Prozessbedingungen für die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen und realen Abgasen (Oxyfuel, CCS) und darauf bezogen, der Einfluss einer Verdünnung des CO₂ durch Stickstoff und Sauerstoff und der Rolle von bekannten Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Stickoxiden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Stärke der Verunreinigung an Schwefel, der Reaktortemperatur und der Abnahme der katalytischen Aktivität ermittelt werden. Die Produktion von Kohlenmonoxid gibt zusätzlich Aufschluss über stattfinden Teil-und Nebenreaktionen. Ergebnisse in der Laboranlage konnten zum Teil für den Aufbau einer Technikumsanlage, welche eine Vergrößerung zum Labor um den Faktor 5000 darstellt, genutzt werden. Eine Zahl von Experimenten wurde im Technikum wiederholt. Die Technikumsanlage ist dabei in der Lage ca. 250 kg CO₂ pro Tag aus CO₂-haltigen Abgasen in Methan umzuwandeln. Ein erweiterter Praxisbezug stellte die Einbindung des Technikums in einem Kraftwerk dar und die Messung mit realem Rauchgas. Ohne zusätzliche Reinigungsschritte des Abgases konnten auch hier Umsätze von 90% erreicht werden. Eine komplexe Temperaturentwicklung und Erhöhung auf 600°C im Reaktor wurde aufgezeichnet und führt dabei zur Abnahme des Umsatzes auf ca. 60%. Bei diesen Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen, durch die exotherme Reaktion, erzeugter und abgeführter Wärme ein. Als Reaktionsprodukt wird ein Schwachgas erhalten, welches für die Rückverstromung eingesetzt werden kann. In der Methanisierung von CO₂ besteht die Möglichkeit das CO₂ in einen Kreislauf (Power-to-Gas) zu binden und so die Emission von Treibhausgasen zu mindern. Das erzeugte Methan fungiert als chemischer Energiespeicher und trägt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei.show moreshow less
  • It could be shown, that the direct methanation of CO₂, as described by the Sabatier-reaction, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, can be done in laboratory and in an industrial scale under a variation of different process parameters. The Sabatier reaction is accelerated by catalysts. Different commercially available nickel and ruthenium-based catalysts were reviewed for their use in methanation and compared with self-prepared catalysts. Relevant parameters for the activity of a catalyst are the conversion of CO₂, the yield of CH₄ and the selectivity regarding the Sabatier-reaction. A conversion and yield of above 90% and a selectivity of nearly 100% were measured in the laboratory-set-up. Optimal parameters for the process were studied by variation of temperature, quantity of the reactants, amount of catalyst and pressure inside the reactor. An additional approach was the reaction with synthetic and real flue gases (Oxyfuel, CCS) and in this regard, a dilution of the CO₂ with nitrogen and oxygen and the role of known contaminations like sulfurIt could be shown, that the direct methanation of CO₂, as described by the Sabatier-reaction, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, can be done in laboratory and in an industrial scale under a variation of different process parameters. The Sabatier reaction is accelerated by catalysts. Different commercially available nickel and ruthenium-based catalysts were reviewed for their use in methanation and compared with self-prepared catalysts. Relevant parameters for the activity of a catalyst are the conversion of CO₂, the yield of CH₄ and the selectivity regarding the Sabatier-reaction. A conversion and yield of above 90% and a selectivity of nearly 100% were measured in the laboratory-set-up. Optimal parameters for the process were studied by variation of temperature, quantity of the reactants, amount of catalyst and pressure inside the reactor. An additional approach was the reaction with synthetic and real flue gases (Oxyfuel, CCS) and in this regard, a dilution of the CO₂ with nitrogen and oxygen and the role of known contaminations like sulfur and nitrogen oxides that can poison the catalyst. A relation between the amount of sulfur contamination, the temperature and the decrease in activity could be determined. It was possible to discern single reaction mechanism due to the formation of carbon monoxide during the reaction. Results in the laboratory have been used for the construction of a pilot-plant that represents an upscale of 5000 in gas quantity. A number of experiments were repeated in the pilot-plant. Here, it was possible to convert nearly 250kg/day CO₂ from flue gases to methane. The pilot plant was integrated into a power plant and therefore measurements with real flue gas could be conducted. Without additional cleaning of the flue gas, a conversion rate of up to 90% was achieved. A complex temperature distribution and an increase in the temperature of the reactor up to 600°C lead to a decrease in conversion to 60%. Equilibrium between the produced and removed heat is reached at those temperatures. The resulting gas has a low energy density and is classified as a lean gas that could be used for a reconversion to electric power. The methanation of CO₂ represents a possibility to store the CO₂ into a loop of conversion and reconversion of energy (Power-to-Gas) and therefore it is possible to reduce the emission of greenhouse gases. The produced methane is a chemical energy storage and contributes to the stabilization of the electric grid.show moreshow less

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Metadaten
Author: Rachow, Fabian
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42625
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Schmeißer, Dieter, Prof. Dr.-Ing. Mauß, Fabian
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Date of final exam:2017/05/29
Release Date:2017/08/28
Tag:CO2-Nutzung; Energiespeicher; Erneuerbare Energien; Katalyse; Methanisierung
Carbon capture and storage (CCS); Catalysis; Energy storage; Methanation; Renewable energy
GND Keyword:Carbon dioxide capture and utilization; Energiespeicher; Katalysator; Methanisierung; Power-to-Gas
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.