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Gasqualitätsmessung für die Sorption-Enhanced Methanisierung (GaSEM)

23. Nov 2022

Das restliche Kohlenstoffdioxid im Biogas zusammen mit Wasserstoff vollständig und effizient in Methan umsetzen und den Umsatz verdoppeln?

Planen oder betreiben Sie eine Biogasanlage?

Wir suchen einen innovativen Biogasanlagenbetreiber und Industriepartner im Anlagenbau. Im Rahmen des Forschungsfonds Gas der schweizerischen Gasindustrie (FOGA) und des Forschungsfonds (FFA), hat die Mems AG zusammen mit dem Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik (UMTEC) der Ostschweizer Hochschule (OST) eine Power-to-Gas (PtG) Anlage mit einem Sorption Enhanced Methanation (SEM) Reaktor entwickelt, der das CO2 im Biogas vollständig in Methan umwandeln kann. Das System will sich nun in einer Biogasanlage beweisen.

Funktionsprinzip

Die Herstellung von Methan aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid basiert auf der folgenden chemischen Reaktion:

CO+ 4·H2 ⇿ CH+ 2·H2O

Bei der Methanisierung entsteht also nicht nur Methan, sondern auch Wasser. Die «Sorption Enhanced Methanation», kurz SEM, ermöglicht durch das Adsorbieren des Reaktionswassers in einem Zeolithen eine vollständige Umsetzung des Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff zu Methan.

GaSEM Prinzip der sorptionsverstärkten Methanisierung

Eine Aufbereitung, bzw. Trocknung des Abgases ist deshalb nicht notwendig. Der optimierte Katalysator erlaubt selbst dann einen Vollumsatz von 100 %, wenn ein CO2/H2-Gemisch mit über 70 % an weiteren «Ballastgasen» wie z.B. Methan aus dem Biogas vermengt ist. Es ist also nicht zwingend notwendig, CO2 vorgängig zu separieren, was einen wirtschaftlichen Vorteil im Hinblick auf die Investitionskosten von Power-to-Gas (PtG) Anlagen bedeutet. Die Technologie kann vorteilhaft als In-line Biogas-Upgrade eingesetzt werden, indem lediglich H2 zu biogenen CH4/CO2-Gemischen zudosiert wird.

Der Sorptionsreaktor ist in ein grösseres System integriert. Dieses System beginnt bei der Zuführung der Eduktgase (CO2, H2) und endet bei der Einspeisung des Produktgases (CH4) ins Gasnetz, wie im folgenden Diagramm gezeigt.

Blockdiagramm der für die SPS relevanten Komponenten der Methanisierungsanlage

Dazwischen gibt es verschiedene Anlagekomponenten. Messgeräte und Sensoren (im Diagramm mit Kreisen wiedergegeben) erfassen Daten zur Überwachung und Steuerung der Anlage. Die Mass Flow Controller (MFC) und die Ventile steuern anhand der Sensorsignale die Anlage und versetzen sie in verschiedene Prozesszustände. Für die Messung und Regelung dieses Systems wird eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingesetzt.

Das System durchläuft im Betrieb periodisch drei Phasen:

Methanisierungsphase

Wird der Reaktor stöchiometrisch mit H2 und CO2 beaufschlagt, erfolgt der Umsatz zu Methan unter Berücksichtigung der Reaktoreffizienz "x" nach folgender Gleichung (0 % ≤ x ≤ 100 %):

4·H2 + CO2 → x·(CH4 + 2·H2O) + (1-x)·(CO2 + 4·H2O)

Bei einem konventionellen Methanisierungsreaktor liegt "x" im besten Fall bei ca. 85 %, was zu einem beträchtlichen Anteil an ungenutztem H2 und CO2 führt.

Regenerationsphase

Erreicht der Zeolith langsam das Ende seiner Wasseraufnahmefähigkeit, nimmt die Reaktionseffizienz "x" ab. Dann kommen nebst Methan auch Wasser, H2 und CO2 im Produktgas vor, wie bei einer konventionellen Methanisierung. Die Mischung all dieser Gase hat aber eine höhere Wärmeleitfähigkeit als reines Methan, was durch die gasQS Messgeräte erkannt, detektiert und der SPS mitgeteilt wird.

Trocknungsphase

Um dem gesättigten Zeolithen das Wasser wieder zu entziehen, muss er mit einem Trocknungsgas durchströmt werden. Am besten bedient man sich eines Gases, das bereits im Prozess vorhanden ist. Methan hat den Vorteil, dass die Trocknungsphase mit demselben Messgerät überwacht werden kann, das auch für die Überwachung der Methanisierungsphase eingesetzt wird. Feuchtes Methan hat eine leicht geringere Wärmeleitfähigkeit als Methan, sodass das Ende der Trocknungsphase dann erreicht ist, wenn der gemessene Wärmeleitfähigkeitswert wieder mit demjenigen von Methan übereinstimmt. Das Wasser, das während der Trocknungsphase den Reaktor zusammen mit dem Trägergas verlässt, muss in der Nachbearbeitungsstufe abgetrennt werden (Kältefalle, Molkekularsieb).

Industrielles und skalierbares Reaktordesign

Da verschiedene Reaktor- und Katalysatorprinzipien auf dem Markt existieren, die jedoch zwingend bei höheren Drucken betrieben werden müssen, wurde aus zusätzlichen Eigenmitteln und in enger Zusammenarbeit mit der Firma Fluitec AG (Neftenbach) ein neues und skalierbares Reaktordesign entwickelt. Während alle PtG Reaktoren unter Hotspots leiden, wurde hier auf ein innovatives Wärmeübertragerdesign gesetzt, welches bis anhin im PtG nicht existiert. Ein erster Prototyp wurde produziert und ausgeliefert (Abbildung 3). Der Festbettreaktor besitzt ein Leervolumen von 10 Liter bei einer Länge von knapp 1 m, ist aber entsprechend länger und insbesondere mit beliebigen Durchmessern bis 2 oder 3 m fertigbar. Damit stellen Wärmeübertragungseffekte (Hotspots), die mit der Skalierung des Reaktors einhergehen, kein Problem mehr dar. Der Reaktor ist aus Kostengründen bis 20 bar zertifiziert, kann aber bis zu 100 bar eingesetzt werden. Das Know-How von Fluitec im Bereich Wärmeaustausch in Reaktor- und Reaktionssystemen wird genutzt, um eine homogene und effiziente Temperaturverteilung (Methanisierung = exotherm, Trocknung = endotherm) im Sorptionsbetrieb zu gewährleisten. Das Design zeichnet sich im Gegensatz zu konventionellen PtG - Reaktoren durch innere, effizientere Wärmeübergange aus. In diesem Zusammenhang wurde zusätzlich eine Thermoöl-Wärmetauscher Anlage in einem Industriedesign mit entsprechenden Kommunikationsschnittstellen der Firma Regloplas akquiriert.

Messtechnik

Wie in den drei Phasen beschrieben, können die Zustände des Reaktors durch die Wärmeleitfähigkeit des Produktgases bestimmt und gesteuert werden (Abbildung 4). Der gasQS static der Mems AG liefert hier durch seine druckkompensierte Wärmeleitfähigkeitsmessung über den gesamten, zulässigen Druckbereich bis zu 15 bar zuverlässig Messresultate. Dabei wird jeder Reaktor mit einem Messgerät ausgestattet. Des Weiteren kann auch die Mischung der Eduktgase mit einem Gerät gesteuert werden. Der im gasQS static verwendete mikrothermische Sensor ist ein Massenprodukt, langzeitstabil und muss, im Gegensatz zu chemischen Sensoren, nicht rekalibriert werden.

Produktionsprozess und dessen Zustände

Die Steuerung des Prozesses ist relativ simpel und kann mit einer dreistufigen Zustandsmaschine (Abbildung 4) beschrieben werden, die die drei Phasen des Reaktors abbildet.

Projektpartner

  • Mems AG, Bruggerstrasse 30, 5413 Birmenstorf
  • Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik, Gruppe Prof. Dr. Andre Heel an der Ostschweizer Fachhochschule in Rapperswil.

Fördergeber

  • Aargauer Forschungsfonds Aargau (FFA)
  • Forschungsfonds Gas der schweizerischen Gasindustrie (FOGA)
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