Development of the 1MW Bio-SNG plant, evaluation on technological and economical aspects and upscaling considerations

Abstract

In Österreich gibt es eine reichlich vorhandene Energiequelle namens Holz. Da der jährliche Zuwachs den Verbrauch überwiegt, stellt Holz eine gute Möglichkeit zur Energieerzeugung, ohne den Nachteil der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, dar. Weiters hilft die Produktion von Energie in Form von Strom, Wärme und Brennstoffen Geld zu sparen, welches für grüne Zertifikate im Falle der Energieproduktion aus fossilen Energieträgern aufgewendet werden müsste. Andere Vorteile, die durch die Nutzung einer Ressource entstehen, die in Österreich gedeiht, ist die ökonomische und soziale Stärkung des Landes, da durch die regionale Wertschöpfung Geld im Land bleibt und Arbeitsplätze geschaffen werden. Der Methanierungsprozess ist ideal, um den Energieträger Holz in Form eines Gases Konsumenten zur Verfügung zu stellen.<br />Der erste Schritt in der Umwandlung von Holz zu Methan ist der Vergasungsprozess. Das Produktgas, welches aus dem hier verwendeten Prozess resultiert, weist eine hohe Qualität durch seinen niedrigen Stickstoffgehalt neben dem hohen Heizwert auf. Um dieses Produktgas zu Bio-SNG aufzuwerten, sind zunächst verschiedene Reinigungsschritte nötig. Der darauf folgende Methanisierungsprozess beruht auf einer katalytischen Reaktion. Das so gewonnene Roh-SNG weist einen Methangehalt von 46% auf. Durch weitere Reinigungsschritte gelingt es schließlich, ein Bio-SNG mit einem Methangehalt von 96% zu erhalten.<br />Dies ermöglicht die Einspeisung in ein lokales Erdgasnetz bzw. die Befüllung einer Erdgastankstelle. In den Jahren 2007 - 2008 wurde eine Demonstrationsanlage am Standort Güssing (A) errichtet. Diese wurde bei einer Nennleistung von 1MWBio-SNG erfolgreich betrieben. Eine Erdgastankstelle wurde mit dem produzierten Bio-SNG befüllt, Tests mit einem Bio-SNG betankten Erdgasauto durchgeführt und erfolgreich abgeschlossen.<br />Die Messdaten wurden mittels der Simulationssoftware IPSEpro (ausgeglichene Lösung) validiert. Die Modellierung des Vergasungs- und des nachfolgenden Methanierungsprozesses ermöglichen einfaches upscalen.<br />Weiters konnten mit Hilfe des Simulationsmodells Optimierungspotentiale evaluiert werden, welche beim Bau einer 20MW Anlage Berücksichtigung finden werden. Diese Verbesserungsmöglichkeiten beziehen sich auf die Auswahl des Inertisierungsmittels und ein energetisch optimiertes Wärmeverschiebesystem zwischen Vergasungs- und Methanierungsprozess. In ökonomischer Hinsicht wurde eine Evaluierung von verschiedenen Systemen mit dem Ziel einer höchstmöglichen Ausbeute an synthetischem Treibstoff bzw. Polygeneration durchgeführt.<br />

Austria possesses a lot of energy, captured in a biological storage mechanism called wood. While every year more wood grows than can be otherwise consumed locally, this profusion can be an ideal resource for energy generation, independent of fossil fuels. Fuels produced from wood are carbon dioxide neutral. Thus, a measurable saving is possible compared to energy suppliers, who would otherwise be obliged to pay for green certificates when processing fossil fuels for energy generation.<br />Additionally, the processing of such profuse local resource would offer several other advantages. On the one hand, it would strengthen the region's economy by retaining the moneys locally; and, on the other hand, it would create new jobs. To convert wood into a transportable form, the methanation process would be the ideal method resulting in a gaseous form.<br />Specifically, gasification in an allothermal process would be the first step to thermal conversion of the biomass, wood in this case, into a synthetic natural gas. The product of this process would be nearly nitrogen free and, therefore, a highly calorific gas. Converting this product gas into Bio-SNG requires different purification steps. The following methanation process was based on a catalytic reaction, which provided a raw-SNG with a methane content of circa 46%. After purifying the raw-SNG further, the gas quality is nearly similar to natural gas and could be delivered via the existing natural gas distribution grid.<br />A demonstration plant for this methanation process has been built in Güssing from 2007 to 2008. The plant has been operated successfully, achieving 1MW power from methane. The Bio-SNG was delivered to a fuel station and tested on cars that operate on gaseous fuels. The high quality of Bio-SNG would allow the injection of the synthetic natural gas into the existing natural gas distribution grid, which was structured to reach to nearly every edge of Austria. Thus, it would be of great benefit to convert wood into synthetic natural gas -- Bio-SNG -- both for the economic and for social reasons. It should be noted that the promising results has led to interest from other countries, where further projects are planned.<br />Measuring data was validated using the simulation software IPSEpro.<br />Based on modelling work, several options for optimization of the process could be found that would benefit the next methanation plant of the 20MW size. These optimizations bring to focus the use of inerting media within the gasifier, an economical evaluation of different scale and system (fuel orientation versus polygeneration), and an energetically optimized heat transmission system between the gasification and the methanation process.<br />