Review of CO2/H2-methanation within power-to-gas processes

Abstract

Das Phänomen der globalen Erwärmung verursachte ein Umdenken (Übergang zu erneuerbaren Energien wie Wind oder Photovoltaik) in der Energieversorgung in den letzten Jahrzehnten. Die veränderten Gegebenheiten haben neue Herausforderungen geprägt und erfordern folglich auch neue Technologien wie Power to Gas um sie zu lösen. Weil erneuerbare Energien aufgrund ihrer fluktuierenden und intermittierenden Natur im Wesentlichen überschüssige produzierte Energie speichern müssen. Power to Gas basiert auf der Umwandlung von Energie in zunächst Wasserstoff durch Wasserelektrolyse und schließlich in synthetisches Erdgas (SNG – synthetic natural gas) im Methanisierungsreaktor. Erdgas hat viele Vorteile gegenüber der Energie selbst, die wichtigsten sind die tragbaren und lagerfähigen Eigenschaften in einem Gaszustand (SNG) und sogar in flüssigem Zustand (LNG). Auch kann es als Brennstoff für unterschiedliche Anforderungen (Fahrzeuge, Ansiedlungen, Industrie) verwendet werden oder als Grundlage für petrochemische Einheiten, insbesondere hat es eine höhere Reinheit als fossile Ressourcen. In dieser Arbeit werden vor allem die theoretischen Grundlagen von Methanisierungsreaktionen und ihre Konzepte diskutiert, wobei einige dieser Technologien kommerziell nicht mehr verfügbar sind. Der Vorteil dieser Überlegungen ist besonders für neue Forscher bemerkenswert, weil es ihnen bei einer großen Anzahl von Studien helfen kann, einen korrekten Weg für die eigene Forschung zu finden. Der Kernbereich dieser Arbeit ist eine Untersuchung von kommerziellen Anlagen und Pilotprojekten. Europäische Länder, insbesondere Deutschland, führen die Power-to-Gas-Technologie an, wobei die Aufmerksamkeit auf einige dieser Anlagen gerichtet ist, die derzeit in diesen Ländern betrieben werden. Die Aufmerksamkeit auf die Produktionseffizienz von Methan- und Wasserstoffanlagen führte dazu, dass viele Wasserstoffanlagen oder einige Anlagen geschaffen wurden, indem beide Produkte gleichzeitig neben Methananlagen präsentiert wurden. Wasserstoff hat zwar den Vorteil einer Produktion mit höherer Effizienz, aber die notwendige Infrastruktur für Speicherung und Transfer (Gasnetze) und übliche Verbrauchsziele (Common Engines) motivieren zur Wahl von Methanisierungsanlagen für Energieversorger. Bewährte Anlagenmodellierungs- und Simulationstools, insbesondere Aspen Plus (mit objektorientierter Simulationsfähigkeit) und Matlab (mit Simulink-Umgebung), werden als vertrauenswürdiger Berater in den Bereichen Kosten- und Anlageneffizienz- und für Konzeptvergleiche eingesetzt. Auf anderen Gebieten, wie etwa bei der Entwicklung von Konzepten (z. B. neuartige Reaktoren, wie dreiphasige und fluidisierte Reaktoren), haben rechnergestützte fluiddynamische (CFD) -Verfahren den Forschern wirklich geholfen. Für einfache Anforderungen ist die Anwendung komplexer Software allerdings nicht notwendig. Zum Beispiel kann der Zustand des Reaktionssystems (Reaktant, Produkt) sogar unter Verwendung eines Basismodells für den Methanisierungsreaktor in Excel überwacht werden. Die wichtigsten Forschungsgebiete im Power to Gas Bereich sind die Verbesserung der Temperaturregelung in FB-Reaktoren oder die Entwicklung von Strukturreaktoren mit hoher Wärmeübertragungseigenschaft, Verbesserung der transienten Betriebsflexibilität von Anlagen gegen Fluktuationen (CO2, Elektrizität), Entwicklung neuer Katalysatoren mit spezieller Spezifikation (z.B. hohe Temperaturbeständigkeit, längere Lebensdauer in Schwefelumgebungen oder hohe Spannungsbedingungen) und Entwicklung geeigneter Kinetik mit akzeptablen Ergebnissen im Vergleich zu experimentellen Daten unter verschiedensten Bedingungen (z. B. Xu und Froment). Diese Arbeit zielt darauf ab, als Übersichtsarbeit ein klares Bild der Grundlagen der CO2-Methanisierung und ihrer Entwicklungsfortschritte seit der Exploration durch Sabatier et al. (1902) bis jetzt über die angewandte „Energie-zu-Gas“-Technologie zu geben.

The global warming phenomenon caused a revelation (transition to renewable energies such as wind or photovoltaic power) in the energy supply progress during last decades. Consequently, these changings have been dictating some challenges, so that required new technologies such as Power to Gas to overcome them. Because renewable energies due to their fluctuating and intermittent nature essentially need to store surplus produced power. Power to gas is based on the conversion of power to hydrogen firstly by water electrolysis and finally synthetic natural gas (SNG) within methanation reactor. Natural gas has much more advantages than power itself. Most important ones are the portable and storable properties in a gas state (SNG) and even liquid state (LNG). Also, it can be applied as fuel for different requirements (vehicles, settlements, industries) or as feed for petrochemical units, especially it has a higher purity than fossils resources. This investigation is primarily discussed the theoretical fundamentals of methanation reactions and its concepts, though some of these technologies are not commercially available more. The advantage of these considerations is especially remarkable for new researchers because it can help them with huge amounts of studies to find a correct path. The core scope of this work is an investigation of commercial plants and pilot projects. European countries especially Germany are leading Power to Gas technology, with attention to a number of these plants that are operating currently within them. Attention to the production efficiency of methane and hydrogen plants caused to be created many hydrogen plants or some plant by presenting both products simultaneously beside methane plants. Although, hydrogen has the advantage of production with higher efficiency but the suitable infrastructures for storage and transfer (gas grids) and customary consumption targets (common engines) motivating to choose methanation plants for energy suppliers. The robust plant modeling and simulation tools particularly Aspen Plus (with Object Oriented Simulation capability) and Matlab (with Simulink Environment) are applied as a trustable advisor in cost and plants efficiency and concepts comparison fields. But, in other fields such as concepts developments (e.g. novel reactors such as three phase and fluidized reactors), computational fluid dynamic (CFD) methods have truly been helping researchers. But, for simple requirements is not necessary to apply the complicated software. For example, the state of reaction system (reactant, product) can be monitored even using a basic model for methanation reactor in Excel. The most important research fields in power to gas are, improvement of temperature control in FB reactors or development of structural reactors with high heat transfer property, enhancement of transient operation flexibility of plants against feed (CO2, Electricity) fluctuations, development of novel catalysts with especial specification (e.g. high temperature resistance, longer life cycle in sulfur environments or high stress conditions) and development of suitable kinetic with an acceptable results in comparison with experimental data in a wide range of conditions (e.g. Xu and Froment). This work is aimed to display, as a review study, a clear picture of CO2-methanation fundamentals and its development progress since exploration by Sabatier et al. (1902) till now, as it is applied within the power to gas technology.