Engineering, construction and commissioning of a co-electrolysis plant

Abstract

The thesis presents the development, design and construction of a co-electrolysis test plant that enables CO2 capture and direct electrocatalytic conversion in a simple process. The central component of this work is an integrated CO2 absorption and electrolysis process that converts CO2 contained in a flue gas into synthesis gas. This gas then serves as a raw material for the production of climate-neutral hydrocarbons. A specially developed electrolyte that can dissolve large amounts of CO2 and highly efficient catalysts for electrochemical CO2 conversion play a central role in this process. There are two approaches to feed CO2 to the electrolyser. In the first approach, which has already been partially researched, technically pure CO2 is fed to the electrolyser in gaseous form. In the real world, the objective is to reduce the CO2 content of a combustion gas. However, gaseous separation of CO2 from flue gas is only possible at great expense. This work deals with the unresearched approach of direct electrocatalytic conversion of CO2 that is absorbed and bound to an amine. This innovative process promises lower energy consumption, high cycle stability, and lower investment costs compared to traditional processes. The main objective of this work was the engineering, design and assembly of a test plant for co-electrolysis cells in order to determine whether this new process works on a laboratory scale. The fully automated test plant absorbs CO2 supplied in gaseous form in a bubble absorber. Chemically bound CO2 to an amine is fed into the cathode of the co-electrolysis cell, where the mixture of amine, water and CO2 is reduced to synthesis gas. The composition of the synthesis gas is continuously measured in a downstream gas analyzer. A process control system from B&R is used to control the actuators and record the measured values. The process was represented by a P&ID flow chart and appropriate operating parameters were selected. All components of the plant were dimensioned. Target-oriented membrane and catalyser technologies were identified. A 100 cm^2 electrolysis cell was designed and manufactured. Absorption tests were carried out with piperazine and monoethanolamine. A functioning and safety-compliant test plant for co-electrolysers was developed and constructed. The test rig was successfully commissioned. This project was carried out in cooperation with my colleague Felix Ettlinger, whose work was focused on the process control system and commissioning of the pilot plant.

Die vorliegende Arbeit stellt die Entwicklung, Konstruktion und die Montage einer Co-Elektrolyse-Versuchsanlage vor, die CO2-Absorption und die direkte elektrokatalytische Umwandlung in einem einfachen Prozess ermöglicht. Zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist ein integrierter CO2 Absorptions- und Elektrolyseprozess, der CO2 reiches Gas in Synthesegas umwandelt. Dieses Gas dient dann als Rohstoff für die Herstellung von klimaneutralen Kohlenwasserstoffen. Ein speziell entwickelter Elektrolyt, der große Mengen CO2 lösen kann und hocheffiziente Katalysatoren für die elektrochemische CO2-Umwandlung spielen in diesem Prozess eine zentrale Rolle. Es gibt zwei Ansätze, dem Elektrolyseur CO2 zuzuführen. Beim ersten Ansatz, der bereits teilweise erforscht wurde, wird technisch reines CO2 in gasförmigem Zustand in die Zelle eingespeist. In der Praxis soll meist der CO2-Gehalt eines Verbrennungsgases reduziert werden. Die gasförmige Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas ist jedoch nur mit großem energetischen Aufwand möglich. Diese Arbeit befasst sich mit dem bisher unerforschten Ansatz der direkten, elektrokatalytischen Umwandlung von CO2, das absorbiert und an ein Amin gebunden ist. Dieses innovative Verfahren verspricht einen geringeren Energieverbrauch, eine hohe Zyklenstabilität und geringere Investitionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Konstruktion und der Aufbau einer Testanlage für Co-Elektrolysezellen, um festzustellen, ob dieses neue Verfahren im Labormaßstab funktioniert. Die vollautomatische Versuchsanlage absorbiert das gasförmig zugeführte CO2 in einem Blasenabsorber. Das chemisch an ein Amin gebundene CO2 wird in die Kathode der Co-Elektrolysezelle geleitet, wo das Gemisch aus Amin, Wasser und CO2 zu Synthesegas reduziert wird. Die Zusammensetzung des Synthesegases wird kontinuierlich in einem nachgeschalteten Gasanalysator gemessen. Zur Steuerung der Aktoren und zur Aufzeichnung der Messwerte wird ein Prozessleitsystem von B&R eingesetzt. Der Prozess wurde durch ein R&I-Fließbild dargestellt und geeignete Betriebsparameter wurden ausgewählt. Alle Anlagenkomponenten wurden ausgelegt. Zielführende Membran- und Katalysatortechnologien wurden identifiziert. Eine 100 cm^2 große Elektrolysezelle wurde konstruiert und gefertigt. Es wurden Absorptionstests mit Piperazin und Monoethanolamin durchgeführt. Eine funktionierende und sicherheitskonforme, Versuchsanlage für Co-Elektrolyseure wurde entwickelt und gebaut. Die Versuchsanlage wurde erfolgreich in Betrieb genommen.