Prozesssimulation von Power-to-Gas Systemen

Abstract

Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien in der gesamten Stromerzeugung erhöht sich der Bedarf an Speichertechnologien. Zum Beispiel stieg die weltweit produzierte Windenergie von 17400 MWh im Jahr 2000 auf 318105 MWh im Jahr 2013. In unmittelbarer Zukunft wird ein hoher Anteil an Elektrizität im Stromnetz aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Dies birgt eine Reihe von Herausforderungen für die Netzbetreiber. Der erzeugte Strom aus Wind und Sonne ist schwankend und von intermittierender Natur und somit nicht synchron mit dem Verbrauch. Diese Instabilitäten müssen daher ausgeglichen werden, um die Netzstabilität gewährleisten zu können. Gleichzeitig ist dafür ein Lang- und Kurzspeichersystem für Energie notwendig. Darüber hinaus gibt es viele Herausforderungen, den Überschuss an erneuerbarer Energie aus Windkraftanlagen und Solarfeldern zum Verbraucher zu bringen. Mit den Power-to-Gas Technologien kann man zum Beispiel in zwei Prozessschritten diese Probleme lösen, die sich aus der Gewinnung von Strom aus erneuerbaren Energieträgern ergeben. Im ersten Schritt, der Elektrolyse, wird der Überschussstrom aus Wind- und Solarenergie in Wasserstoff umgewandelt. Im nächsten Schritt, der Methanisierung, erfolgt mit CO2 die Umsetzung zu Methan mit dem aus der Wasserelektrolyse gewonnenen H2. Erdgas ist viel flexibler als Strom. Es ist transportabel und als Gas bzw. in flüssigem Zustand speicherbar. Es ist vielseitig verwendbar, wie etwa im Wohnbereich, für Fahrzeuge und andere Motoren und für industrielle Anwendungen zum Beispiel als Ausgangsstoff für petrochemische Anlagen. Erdgas findet auch Verwendung als Kraftstoff und in reversiblen Prozessen als Brennstoff, um in Strom umgewandelt zu werden. Die vorliegende Dissertation beginnt zunächst mit einer theoretischen Einführung und den Grundlagen des Power-to-Gas Systems. Es wird eine detaillierte Übersicht über die einzelnen Stufen eines Power-to-Gas Systems präsentiert und diskutiert. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der durchgeführten transienten Simulation zur Gewinnung von Wasserstoff aus Solarenergie. Hier werden die Leistungen einer weiterentwickelten alkalischen Elektrolyse sowie der PEM-Elektrolyse besprochen, die mit TRNSYS ®, einem instationären Simulationsprogramm, untersucht wurden. Im nächsten Schritt wird eine Simulation des Methanisierungsverfahrens durchgeführt. Um die Hydrierung von Kohlendioxid- und Kohlenmonoxid unter Heranziehung von Plug Flow und des Gibbs Reaktors zu berechnen, wurde aus einer Vielzahl von Simulationsprogrammen Aspen Plus ® V8.6 gewählt. Damit synthetisches Erdgas (SNG, synthetic natural gas) in das Erdgasnetz eingespeist werden kann, muss es entsprechend gereinigt und aufbereitet werden. Zu diesem Zweck wurden physikalische Trennverfahren wie Flash und Gaspermeation implementiert, um die Methankonzentration im Produktstrom zu erhöhen. Anschließend werden die Kosten der Hauptkomponenten eines typischen Power-to-Gas Systems besprochen. Zum Abschluss wird der gesamte Prozess zusammengefasst und mit Empfehlungen und Anregungen für zukünftige Entwicklungen gegeben. Basierend auf typischen lokalen Wiener Klimadaten lässt sich zusammenfassend feststellen, dass im gesamten Jahresverlauf Wasserstoff mittels PEM und alkalischer Wasserelektrolyse hergestellt werden kann. Bei der Methanierungsmodellierung zeigte sich, dass die Wasser-Gas-Shift-Reaktion eine besonders wichtige Rolle für die Methanierungsleistung spielt. Zusätzlich ist die Methanierungs-Ausbeute stark von Temperatur, Druck und Feedverhältnis abhängig. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen weiterhin, dass die Wasserentfernung in der Gasaufbereitung durch eine Flash-Trennung mit gezielt definierten Betriebsbedingungen durchgeführt werden kann. Im Modell konnte weiters berechnet werden, dass mit einer zweistufigen Gaspermeationsanlage zur CO2-Abtrennung aus dem Produktgas der Methanvolumsanteil von 30 %vol auf bis zu 98%vol gesteigert werden kann.

By increasing the share of renewable energy sources in the total power generation, the demand for storage technologies will raise in the near future. For instance, the worldwide production of wind energy enhanced from 17400 MWh in 2000 up to 318105 MWh in the year 2013. In the immediate future a high percentage of electricity to be used into grids will come from renewable energy sources. The power generated from wind and photovoltaics is of fluctuating and intermittent nature and has to be balanced to guarantee grid stability. At the same time, long and short term energy storage systems are needed; furthermore, there are some challenges to transmit the surplus of renewable power from wind or solar fields to consumer. Power-to-Gas is a solution for renewable energy sources problems and seasonal energy saving difficulties which is based on conversion of surplus energy into first, hydrogen by water electrolysis and then synthetic natural gas (SNG) using methanation reactor. Natural gas is much more flexible than power itself. It is portable and storable in gas form and liquid form by producing LNG. It can be used as fuel for vehicles and other engines, residential utilization, industrial usage like petrochemical units as feed and other application as fuel and in a reversible cycle process (fuel cell) it can be converted to electricity. In this work first a theoretical introduction with the fundamentals of the Power-to-Gas system is discussed. A survey of a history about each part of a typical Power-to-Gas system is presented. After that, a transient simulation study on hydrogen production using solar energy is performed. Both advanced alkaline and polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzer performances were calculated using TRNSYS ® simulator. The next step was a simulation investigation on the methanation process. Aspen Plus ® V8.6 was chosen among the numerous simulators to calculate the carbon dioxide and carbon monoxide hydrogenation using plug flow and Gibbs reactor. In addition, for purification of SNG some post processing had to be considered to make the product ready for grid injection. For this purpose physical separation processes such as flash and gas permeation operations were implemented to enhance the methane concentration in the product stream. Then, the current cost status (investment and operating costs) of the main components of a typical Power-to-Gas system is discussed. Moreover, a summary of the whole process is represented in the conclusion and some recommendations and suggestions are expressed for further developments. To conclude, in hydrogen production, results show that, base on Vienna local annual average weather information, hydrogen can be produced via PEM and alkaline water electrolysis system all over a typical year. With regard to methanation modeling, water gas shift reaction has an important role in the methanation performance. In addition, methanation performance is highly affected by temperature, pressure and feed ratio. For purification section, results of this study clearly indicate that water removal from product stream can be performed by a flash separation at the certain operating conditions. Furthermore, a two-stage of a gas permeation system is used for CO2 removal from the product stream and methane mole fraction reaches can be increased from 35 %vol up to 98 %vol.