Process control, instrumentation, commissioning and start-up of a co–electrolysis pilot plant

Abstract

Conventional post-combustion CO2 capture technology with amine scrubbing has high energy requirements and necessitates regular solvent replacement due to thermal and oxidative degradation. Furthermore, the advocated technology for the conversion of the separated CO2 downstream by electrochemical means into syngas (CO and H2) is inefficient and too immature for industrial applications.In the course of this thesis (and in collaboration with others) a pre-planned pilot plant for an alternative process for carbon capture and utilization was developed, constructed and pre-commissioned. The alternative process is based on the electrochemical regeneration of an amine-based CO2 solvent and simultaneous conversion of CO2. Theoretical considerations suggest that a higher energy efficiency can be achieved and the degradation of the solvent avoided. This project was advanced together with Martin Schulz whose work summarizes the engineering and construction of the pilot plant, whereas the work presented here focuses on the topics of material selection and configuration of the electrolyser, instrumentation and process control, and preparation of commissioning and startup (of the entire pilot plant). The results of the work presented here can be summarized as follows: The carried out research suggests that silver is the most promising electrocatalyst for the electrochemical conversion of CO2 into CO and that the AEM (Anion Exchange Membrane) technology is most suitable for direct electrochemical conversion of chemically dissolved CO2 in amine-based capture media. A co-electrolyser was designed and configured. The CO2 absorption column of the pilot plant was successfully tested regarding its absorption capacity. Both mechanical and electrical completion of the pilot plant were finished. The process control system was fully configured and all safety relevant features were successfully tested. Except for the electrolyser, which still has some leakage issues where further improvement is necessary, the pilot plant is ready for operations and first tests can be conducted as soon as the electrolyser is fully functional.

Das meistgenutzte Verfahren zur CO2-Abscheidung (Aminwäsche) ist sehr energieintensiv und ist geprägt durch die Notwendigkeit das Lösungsmittel häufig zu ersetzen, da dieses prozessbedingt thermisch und oxidativ degradiert. Des Weiteren ist die vielversprechendste Technologie, um das abgeschiedene CO2 mittels eines Elektrolyseurs in Synthesegas (CO + H2) umzuwandeln, ineffizient und nicht reif für industrielle Anwendungen. Im Zuge dieser Arbeit (und in Zusammenarbeit mit anderen) wurde ein bereits bestehendes Konzept einer Pilotanlage für einen alternativen CO2 Abscheideprozess weiterentwickelt, die Pilotanlage konstruiert und mit der Inbetriebnahme begonnen. Die Technologie basiert auf der elektrochemischen Regeneration des Lösungsmittels und simultaner Umwandlung von CO2. In der Theorie können dadurch höhere energetische Wirkungsgrade erzielt werden und die thermische Degradation des Lösungsmittels kann vermieden werden. Dieses Projekt wurde gemeinsam mit meinem Kollegen Martin Schulz weiterentwickelt, dessen Arbeit die Auslegung und den Aufbau der Pilotanlage zusammenfasst, während die vorliegende Arbeit sich auf die Materialauswahl und Konfiguration des Elektrolyseurs, die Instrumentierung und Prozesssteuererung und die Inbetriebnahme der Anlage fokussiert. Die vorliegende Arbeit kann wie folgt zusammengefasst werden: Die durchgeführte Literaturrecherche ergab, dass Silber der am besten geeignete Katalysator für die Umwandlung von CO2 in CO ist und, dass die AEM (Anion Exchange Membrane) Technologie am besten für die direkte, elektrochemische Umwandlung von chemisch gebundenem CO2 geeignet ist. Ein Co-Elektrolyseur wurde konstruiert und konfiguriert. Der CO2 Absorber der Pilotanlage konnte erfolgreich hinsichtlich seiner Absorptionskapazität getestet werden. Die Pilotanlage ist mechanisch und elektrisch fertiggestellt. Das Prozessleitsystem wurde vollständig konfiguriert und alle sicherheitsrelevanten Mechanismen wurden erfolgreich getestet. Mit Ausnahme des Elektrolyseurs, bei dem es weiterer Verbesserung hinsichtlich der Dichtheit bedarf, ist die Anlage bereit für erste Experimente.