Synthetic Natural Gas: A Study of CO2 Methanation Kinetics in a Catalytic Plate Reactor

Abstract

‘World Scientists ́ Warning to Humanity’ in 1992 was not taken seriously thus, research 25 years later is needed more than ever to stop climate change. Excess electricity in daily and seasonal shifts needs to be stored and easily available. Therefore, several concepts are investigated simultaneously whereby, one promising concept is a Power-to-Gas process. An important part of Power-to-Gas is the conversion of carbon dioxide to synthetic natural gas. To increase efficiency of the reaction it is crucial to gain knowledge about reaction kinetics of CO2 methanation to develop better catalysts. The investigation of the chemical reaction and its rate determining step was done by experiments with a Ni-Al2O3 catalyst in an optical accessible reactor. The design of experiments was stated for a temperature range from 300 to 450 °C and a flowrate from 55 to 220 mlN min-1.Subsequently, eleven rate equations were built up based on two different reaction mechanism (mechanism A and B). It was shown how to use them for modeling and the determination of kinetic parameters.Finally, two models with a rate determining step which includes either a COH* or a COOH* complex were investigated within this thesis. Hereby, the Ni-Al2O3 catalyst was covered with a hydroxyl species in form of OH*, hydrogen H*, the COX* complex or had a free active side (*).The modeling results indicate a slight trend towards the COOH* complex as the rate determining step which is part of mechanism B. Even though the residual sum of squares is within a small range for both estimations the highest posterior density interval for the activation energy of the COH* formation is significantly higher and therefore more uncertain.

Die „Warnung der Wissenschaftler an die Menschheit“ im Jahre 1992 wurde nicht ernst genug genommen und daher ist es 25 Jahre später wichtiger den je den Klimawandel zu stoppen. Überschussenergie aus täglichen und saisonalen Änderung muss dafür gespeichert werden und leicht verfügbar sein können. Aktuell wird an mehreren Konzepten geforscht, wobei das Power-to-Gas Konzept ein vielversprechender Ansatz ist.Ein wichtiger Teil von Power-to-Gas ist die Umwandlung von Kohlendioxid in synthetisches Erdgas. Um den Wirkungsgrad des Prozesses zu erhöhen, ist es notwendig die Reaktionskinetik der CO2 Methanisierung besser zu verstehen und bessere Katalysatoren zu entwickeln.Zum Erreichen dieses Ziels wurde ein optisch zugänglicher Reaktor mit einem Ni-Al2O3 Katalysator verwendet. Die Versuchsplanung erstreckt sich über einen Temperaturbereich von 300 bis 450 °C und die Variation im Volumenstrom beträgt 55 bis 220 mlN min-1.In weiterer Folge wurden elf Reaktionsgleichungen, basierend auf zwei Reaktionsmechanismen (Mechanismus A und B) aufgestellt und gezeigt, wie diese zur Modellierung und Bestimmung von kinetischen Parametern verwendet werden können. Schlussendlich wurden zwei Modelle, die als geschwindigkeits-bestimmenden Schritt entweder einen COH* oder COOH* Komplex aufweisen, in dieser Arbeit behandelt. Der Ni-Al2O3 Katalysator war dabei bedeckt durch eine Hydroxyl Gruppe in Form von OH*, Wasserstoff H*, dem COX* Komplex oder wies eine freie aktive Seite auf (*).Die Ergebnisse der Modellierung dieser beiden Komplexe zeigten einen leichten Trend in Richtung der COOH* Gruppe als geschwindigkeits-bestimmenden Schritt. Auch wenn die Quadratsumme der Residuen beider Modelle sehr ähnlich sind, ist das Glaubwürdigkeitsintervall für die Aktivierungsenergie des COH* Komplexes signifikant höher und daher das Ergebnis ungewisser.