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In this work, a reliable kinetic reaction mechanism was revised to accurately reproduce the detailed reaction paths of steam reforming of methane over a Ni/Al2O3 catalyst. A steadystate fixed-bed reactor experiment and a 1D reactor catalyst model were utilized for this task. The distinctive feature of this experiment is the possibility to measure the axially resolved temperature profile of the catalyst bed, which makes the reaction kinetics inside the reactor visible. This allows for understanding the actual influence of the reaction kinetics on the system; while pure gas concentration measurements at the catalytic reactor outlet show near-equilibrium conditions, the inhere presented temperature profile shows that it is insufficient to base a reaction mechanism development on close equilibrium data. The new experimental data allow for achieving much higher quality in the modeling efforts. Additionally, by carefully controlling the available active surface via dilution in the experiment, it was possible to slow down the catalyst conversion rate, which helped during the adjustment of the reaction kinetics. To assess the accuracy of the revised mechanism, a monolith experiment from the literature was simulated. The results show that the fitted reaction mechanism was able to accurately predict the experimental outcomes for various inlet mass flows, temperatures, and steam-to-carbon ratios.
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 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.