Steffi TheurichUnsteady-State Operation of a Fixed-Bed Recycle Reactor for the Methanation of Carbon Dioxide | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ISBN: | 978-3-8440-6792-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Reihe: | Schriftenreihe der Reiner Lemoine-Stiftung Herausgeber: Reiner Lemoine-Stiftung Neuss | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schlagwörter: | Methanation; Carbon dioxide; Fixed-bed reactor; Product recirculation; Modelling and Simulation; Unsteady-state experiments; Power-to-gas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Publikationsart: | Dissertation | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sprache: | Englisch | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Seiten: | 156 Seiten | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gewicht: | 217 g | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Format: | 21 x 14,8 cm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bindung: | Paperback | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Preis: | 48,80 € | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Erscheinungsdatum: | Juli 2019 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Zusammenfassung: | Power-to-X Prozesse bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten zur Langzeitspeicherung von elektrischem Strom und koppeln dabei die Stromerzeugung direkt mit Energie verbrauchenden Sektoren (Sektorkopplung). Anwendungsfälle sind zum Beispiel die Wärmebereitstellung (Power-to-Heat) oder die Nutzung in der chemischen Industrie durch die Bereitstellung von Wasserstoff über eine Wasserelektrolyse. Beim Power-to-Gas (PtG) Verfahren wird der elektrolytisch produzierte Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid bzw. -monoxid gemischt und anschließend katalytisch in Methan umgewandelt (Methanisierung). Methan kann aufgrund der etablierten Infrastruktur im Erdgasnetz gespeichert, zur Wärme- und Stromproduktion eingesetzt oder für Erdgasfahrzeuge genutzt werden.
Im ersten Prozessschritt des PtG-Verfahrens wird die Elektrolyse aufgrund der stark schwankenden Strombereitstellung durch Sonnen- und Windenergie dynamisch betrieben. Durch einen ebenfalls dynamischen Betrieb der Methanisierung können die Kosten der Wasserstoffspeicherung deutlich reduziert werden. Jedoch wurden die unter instationären Bedingungen auftretenden Phänomene und angepasste Betriebsstrategien bisher nicht ausreichend untersucht. Daher ist es das Ziel dieser Forschungsarbeit, den instationären Betrieb der exothermen Methansynthese am Beispiel eines Festbett-Kreislaufreaktors zu untersuchen. Mit dem Konzept der Produktrückführung wurde bisher versucht, den Reaktor zu kühlen. In dieser Arbeit soll auch überprüft werden, ob sich die Produktrückführung als Regelgröße eignet, da es sich dabei um eine physikalische Rückkopplungsschleife handelt. Zusätzlich sollen die Ergebnisse hinsichtlich Lastflexibilität, Reaktordesign sowie Betriebs- und Regelungsstrategien zusammengefasst werden. Power-to-X processes are one of many potential options which allow the storage of fluctuating wind and solar energy. They enable the long-term energy storage and the coupling of the energy production with energy-consuming sectors (sector coupling). Examples include the production of heat (Power-to-Heat) or applications in the chemical industry by supplying hydrogen via water electrolysis. In the power-to-gas process (PtG) process, carbon oxides from various sources can be hydrogenated via electrolytically-produced hydrogen to methane (methanation). After a product gas refinement, the methane can be stored as synthetic natural gas (SNG) in the existing infrastructure, e.g. in the gas grid, and utilized on demand. The first process step of the PtG process, the water electrolysis, operates under dynamic conditions due to the fluctuating electricity input. With the aim to reduce the costs of hydrogen storage by minimizing storage capacities, the unsteady-state operation of the methanation reaction is demanded as well. However, the occurring phenomena and operation strategies under dynamic conditions are not exhaustively addressed in scientific literature thus far. Therefore, this thesis focuses on the unsteady-state operation of the exothermic methanation of carbon dioxide in a fixed-bed recycle reactor. On the one hand, the reactor can be cooled with help of the product recirculation, being state-of-the-art for adiabatic methanation reactors during steady-state operation. On the other hand, fixed-bed reactors with the recirculation of product gas are recommended for the operation under unsteady-state conditions. Therefore, in this context the hypothesis is tested, if the product recirculation is beneficial for controlling the reactor dynamics as a physical feedback loop. Furthermore, the results shall be attributed to load flexibility, reactor design, as well as operation and control strategies. |