Gasification in power to gas concepts : simulation of advanced process configurations

Abstract

Aufgrund schädlicher Einflüsse auf unsere Umwelt und um eine Langzeit Energieversorgung zu sichern, ist es notwendig fossile und nukleare Energieträger ersetzen. Die Produktion erneuerbaren Stroms durch Wasserkraftwerke hat ihre maximale Kapazität bereits erreicht. Für die Bereitstellung der benötigten Energie sind Wind- und Solar-Energie vielversprechende Zusatzoptionen. Da die beiden letztgenannten Energiequellen nur unstetig verfügbar sind, ist es notwendig, Energiespeichersysteme in das Energienetz zu integrieren. Eine hervorragende Option ist die Speicherung von Energie in chemischer Form. Dabei wird Wasser durch überschüssige Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff wird entweder für die Methanierung von Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid verwendet, direkt in das Erdgasnetz eingespeist oder in geleerte Erdgaslagerstätten gepumpt. Dieses Konzept ist unter dem Namen Power-to-Gas bekannt. Das Thema dieser Dissertation war es unter anderem zwei, verschiedene Power-to-Gas Konzepte mittels Prozesssimulationssoftware zu modellieren. Für die Simulation der Prozessketten ist es notwendig, eine Modellbibliothek mit den verwendeten Komponenten zu haben. Über die Jahre hinweg wurde Knowhow auf dem Gebiet der Biomassevergasung, Methanierung sowie Gasaufbereitung und Reinigung in der Arbeitsgruppe Future Energy Technology (FET) gesammelt. Das Ziel war es das generierte Knowhow in einen PtG-Prozess, mit einem Zweibett Wirbelschicht Vergaser (DFB) als Kohlenstoffquelle, einfließen zu lassen und somit eine höchst mögliche Effizient zu erzielen. Ein zweiter Ansatz entstand im Rahmen eines Projekts mit anderen Forschungspartnern, finanziert durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG). Im Zuge dessen wurde eine Versuchsanlage zur CO2 Methanierung, mit anschließender Produktgasreinigung durch eine Membran, erreichtet. Um eine genauere Vorhersage über den Prozessverlauf geben zu können, war es Teil des Projekts diesen zuerst in Form einer Prozesssimulation darzustellen. Für beide Simulationen wurde die kommerzielle Simulationssoftware IPSEpro in Verbindung mit einer eigens in der FET-Arbeitsgruppe erzeugten Modellbibliothek verwendet. Um PtG Konzepte simulieren zu können war es notwendig die existierende Modellbibliothek um fehlende Komponenten, z.B. einem Elektrolyseur, zu erweitern. Neben der Prozess-simulation war es ein weiteres Ziel dieser Dissertation, den Inhalt aller Modelle der Modellbibliothek zu dokumentieren und die Richtigkeit deren Ergebnisse mittels einer Energie-und Massen-Bilanz zu belegen. Zusätzlich wurde die Software HSC 6.0 dazu verwendet, Ergebnisse von Gleichgewichtsreaktionen zu validieren. Die PtG-Simulation mit Kohlenstoff durch Biomassevergasung wurde sehr detailliert durchgeführt. Je nach Bilanzgrenze errechnet sich ein Gesamtwirkungsgrad zwischen 58 und 85%. Hingegen wurde für das PtG-Konzept mit Gasaufbereitung durch eine Membran nur eine sehr vereinfachte Simulation und Bilanzierung dieser durchgeführt. Keine Abwärmenutzung und auch keine kleineren Energie-Quellen und Senken fanden Berücksichtigung. Es errechnet sich daraus ein Gesamtwirkungsgrad zwischen 55 und 67% für die Erzeugung von synthetischem Erdgas (SNG). Zu guter Letzt ist neben der Effizienz des Prozesses auch noch die Qualität des erzeugten Erdgases von Bedeutung. Die errechneten Wirkungsgrade sind angemessen, verglichen mit anderen Studien. Für beide Prozesse konnte nachgewiesen werden, dass eine Einspeisung in das bestehende Erdgasnetz zulässig ist. Die Zulässigkeit der Einspeisung wurde dabei bestimmt durch den Wobbe Index. Die Auswertung der Validierung und Bilanzierung der einzelnen Bibliotheksmodelle beweist für fast alle deren korrekte Funktion.

Due to environmental aspects and reasons of long term supply, fossil and nuclear energy production have to be replaced. Sustainable electricity production through hydroelectric power has reached its limits. Other energy sources as wind and sun power are promising additions to cover the required supply. For a sustainable future of electricity production, efficient energy storage systems have to be established due to the fluctuating availability of wind and sun. An option is chemical storage, where electricity is converted into gas and stored within the pipeline grid or in exhausted caverns. This concept is known as Power-to-Gas (PtG). For this thesis, process simulation is applied to provide projections of two different Power-to-Gas concepts. Throughout the years, knowledge in the fields of biomass gasification, methanation and gas treatment respectively purification has been gained in the working group Future En-ergy Technology (FET). The aim of the first PtG-concept was to combine this knowledge and to create a high efficient Power-to-Gas process with carbon supply through biomass gasification. The second PtG-approach was created in terms of a project with other research partners, funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG). In the course of this project a test rig was created for CO2-methanation and membrane purification of the synthetic natu-ral gas (SNG). To have a proper forecast on the process, process simulation was applied. For the modelling of different Power-to-Gas concepts the commercial simulation software IPSEpro and its model library BG Lib are used. The model library itself was created by the FET working group. To be able to simulate PtG-concepts it was necessary to extend the model library by missing process units. Besides the simulation of the PtG-projects, another objective of this work was the documentation of the BG Lib model library. Not only the latest modifications of the BG Lib library are documented, all the library-s process units are described and validated through a mass and energy balance. For the BG Lib documentation, every single process unit model was simulated in IPSEpro and the obtained energy and mass balances were exported to Matlab for their illustration. Additionally to IPSEpro, the software tool HSC Chemistry 6.0 was used to validate equilibrium reaction results of IPSEpro models. For SNG production through biomass gasification, all energy sinks and sources are consid-ered in the simulation. Depending on the system boundaries, an efficiency between 58 and 85% is calculated. For the FFG-project-s PtG-process its heat recovery is not considered as well as other mi-nor energy sinks and sources. The efficiency results are between 55 and 67%. In the end, the overall efficiencies of the processes and the gas quality of the created SNG are of interest. It has been shown that the produced synthetic natural gas meets the requirements for an injection into the natural gas grid. The obtained efficiencies seem to be reasonable when comparing them to related work. For both Power to Gas concepts the requirements - e.g the Wobbe Index - for natural gas grid injection are met. The documentation of the BG Lib model library has proven that almost all process units are providing reasonable results and fulfil the mass and energy balance.