Verhalten eines wandgekühlten Festbettreaktors zur CO₂-Methanisierung bei instationären Betriebsbedingungen

Titelangaben

Tauer, Georg Simon:
Verhalten eines wandgekühlten Festbettreaktors zur CO₂-Methanisierung bei instationären Betriebsbedingungen.
Bayreuth , 2021 . - VIII, 143 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Für die notwendige Verringerung der weltweiten CO₂-Emissionen müssen fossile Energieträger durch regenerative Energien ersetzt werden. Hierbei spielen Windenergie und Photovoltaik eine wichtige Rolle, jedoch stellen sie elektrische Energie nur fluktuierend und nicht bedarfsorientiert bereit. Für eine notwendige Speicherung, insbesondere von großen Energiemengen über eine lange Ausspeicherdauer, ist Power-to-Gas eine attraktive Möglichkeit. Eine aufwendige und kostenintensive Speicherung von Wasserstoff kann durch die nachgeschaltete Methanisierung von H₂ mit CO₂ zu synthetischem Erdgas (CH4) umgangen werden. Vorteile bieten neben der höheren Energiedichte von Methan die mögliche Nutzung der vorhandenen Infrastruktur. Bei Bedarf kann das synthetisch hergestellte Erdgas sowohl zurückverstromt als auch im Wärme- und Verkehrssektor genutzt werden. Um die PtG-Anlage an die Verfügbarkeit von günstigem Strom zu koppeln, ist eine dynamische Betriebsweise des Methanisierungsreaktors nötig. Für die dynamische Betriebsweise von Reaktoren sind verschiedene instationäre Phänomene in der Literatur beschrieben, die den stabilen Reaktorbetrieb, insbesondere bei exothermen Reaktionen, beeinflussen können. Zur Simulation von dynamischen Methanisierungsreaktoren werden in derzeitigen Modellierungen stationäre kinetische Ansätze zu Grunde gelegt. Autoren berichten aber von instationären kinetischen Effekten bei der CO₂-Methanisierung, was in der Konsequenz bedeutet, dass sich der Katalysator im instationären Betrieb nicht so verhält, wie es stationäre kinetische Ansätze vorhersagen. Dieser Aspekt kann sich negativ auf die Verlässlichkeit der Modellierungen auswirken. Für einen Nickelkatalysator wird ein formalkinetischer Ansatz erstellt. Um instationäre kinetische Effekte unter isothermen Bedingungen zu untersuchen, werden sprungartige Partialdruckänderungen von H₂, CO₂ und H₂O durchgeführt. Im darauffolgenden Schritt werden die Temperaturprofile und der Umsatz des wandgekühlten Festbettreaktors unter Zuhilfenahme des ermittelten formalkinetischen Ansatzes durch ein pseudohomogenes 1D-Modell modelliert und experimentell verifiziert. Bei Lastwechselexperimenten im polytropen Reaktor werden instationäre Effekte in den Temperaturprofilen, die das 1D-Modell nicht nachbilden kann, identifiziert. Das Modell wird um eine H₂O-Adsorptionsisotherme erweitert, um Trägheitseffekte im instationären Betrieb durch adsorbiertes H₂O auf der Katalysatoroberfläche zu simulieren. In dieser Arbeit wurden sowohl instationäre kinetische Effekte unter isothermen Bedingungen als auch das instationäre Reaktorverhalten des polytropen wandgekühlten Rohrreaktors experimentell näher untersucht und die Ergebnisse miteinander verknüpft. Unter Verwendung eines Reaktormodells werden die Diskrepanzen zwischen gängigen Modellen und dem experimentell beobachteten Verhalten des instationären Methanisierungsreaktors aufgezeigt und Methoden entwickelt, um instationäre kinetische Effekte zu berücksichtigen.

Abstract in weiterer Sprache

To achieve the required reduction in global CO₂ emissions, fossil fuels must be replaced by regenerative energies. However, the main drawback of wind energy and photovoltaics is still the gap in demand and supply. Hence, energy storage is necessary to balance the fluctuating production and the consumption. Therefore, Power-to-gas is an attractive option, especially for large amounts of energy over a long storage period. Due to a subsequent conversion of H₂ with CO₂ to methane (synthetic natural gas, SNG) the energy density is enhanced, and the transport and storage infrastructure of the natural gas grid can be used. If required, SNG can be converted back into electricity as well and can be used in the heat and transport sectors. In order to link the PtG plant to the availability of cheap electricity, a dynamic operation of the methanation reactor is necessary. For dynamic operation of reactors, various transient phenomena have been described in the literature that can affect stable reactor operation, especially for exothermic reactions. For the design of the reactor and the prediction of such phenomena, only steady-state kinetics are used in computer modeling, although the literature reports on transient kinetic effects in CO₂-methanation. This means in consequence, that the catalyst does not behave in transient operation as predicted by steady-state kinetic approaches. This aspect may have a negative impact on the reliability of the modeling. A formal kinetic approach was developed for a nickel catalyst. To investigate transient kinetic effects under isothermal conditions, stepwise partial pressure changes of H₂, CO₂ and H₂O were performed. By using a pseudohomogeneous 1D model and the determined kinetic approach the temperature profiles and the conversion of the wall-cooled fixed-bed reactor were modeled. The model was validated and adjusted using the experimental measurements. Load cycling experiments in the polytropic reactor identify transient effects in the temperature profiles that the 1D model cannot reproduce. An H₂O adsorption isotherm was added to the model to simulate inertial effects in transient operation due to adsorbed H₂O on the catalyst surface. So, in this work transient kinetic effects under isothermal conditions and the transient reactor behavior of the polytropic wall-cooled tubular reactor were investigated. The experimentally observed behavior differed from common reactor models. The differences were shown as well as methods were presented to consider transient kinetic effects.