Membrane-based power-to-gas concepts - design, realization, optimization

Abstract

Energiespeicherung ist einer der wichtigsten Eckpfeiler auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Lebensweise. Aufgrund der natürlichen Limitierung von fossilen Energieträgern ist das Interesse an erneuerbaren Alternativen stetig gestiegen. Zu den vielversprechendsten Optionen zählen dabei solar- und windbasierte Technologien, wobei diese aufgrund ihrer volatilen Verfügbarkeit zwingend Speicherlösungen verlangen. Unter den existierenden Systemen zur Speicherung zählen Power-to-Gas-Prozesse sicher zu den interessantesten. Die Kombination eines schnellen Ansprechverhaltens mit hoher Speicherdichte, langen Speicherzeiten sowie der Möglichkeit existierende Infrastruktur -- das bestehende Gasnetz als Speicherort -- in eine innovative Speichertechnologie einzubinden, erlaubt es, die soziale Akzeptanz im Vergleich zu alternativen Systemen zu steigern und Kosten in Zukunft zu senken. Trotz der erwähnten Vorteile limitieren die relative hohen Speicherkosten den Einsatz von Power-to-Gas. Dementsprechend werden in dieser Arbeit neue Prozessdesigns dargestellt, die ein signifikante Kostenreduktion ermöglichen. Zusätzlich wird auf Biogas als CO2-Quelle zurückgegriffen, um zu gewährleisten, dass der Prozess hauptsächlich auf erneuerbaren Quellen aufbaut. Um eine zuverlässige Analyse zu gewährleisten, wurde ein membranbasierter Power-to-Gas-Prozess im Demonstrationsmaßstab realisiert, wobei in einem ersten Schritt ein kommerzieller Methanierungskatalysator zum Einsatz kam. Weiters wurde auch die Verwendung eines innovativen Wabenkatalysator zur Verbesserung des lastflexiblen Betriebs in einem ähnlichen Versuchsaufbau untersucht. Mit den gewonnenen Ergebnissen wurde eine techno-ökonomische Simulation durchgeführt, die es ermöglicht hat, unterschiedliche Prozessrouten im Kontext verschiedener europäischer Gasnetzregularien zu vergleichen. Es konnte gezeigt werden, dass selbst einfache Power-to-Gas-Systeme bestehend aus katalytischer Methanierung und membranbasierter Gasaufbereitung in der Lage sind, einspeisefähiges, synthetisches Erdgas aus Überschussstrom und CO2 aus Biogas herzustellen. Auch wenn die aktuellen Produktionskosten hoch sind, ist es dennoch möglich, sie mit Prozessadaptionen, wie der Wahl des richtigen Aufreinigungsverfahren und Rückführung der abgetrennten Stoffströme, deutlich zu reduzieren.

Energy storage is one of the cornerstones in world's endeavour towards a sustainable way of living. Due to the fact of limited availability of fossil energy carriers, interest in renewable alternatives has been growing steadily for the last decades. The most widespread technologies in this regard are photovoltaic and wind energy. Unluckily, they come with the burden of high volatility making energy storage options mandatory to fit supply and demand. While many potential storage systems exist, power-to-gas is one of the most interesting technologies available. It combines multiple advantages like fast response time, high energy storage density, and long-time storage with the option of including existing infrastructure-- the natural gas grid as a storage location - in a new technology with potentially higher social acceptance and lower economical costs. Storage costs are still relatively high and must be reduced if power-to-gas is to succeed on a large scale. The work presented here tries to improve on this by presenting new process designs that offer the potential of significant cost reduction. In addition, biogas was used as the CO2 source of choice to ensure the process is mainly based on renewable sources. To allow a reliable analysis, a membrane-based power-to-gas process using a commercial methanation catalyst was realized on demonstration scale first. Then an innovative honeycomb catalyst, a concept that offers potential improvements regarding load flexibility, was implemented in a comparable setup. Finally, various process designs were developed, analyzed by process simulation, and a techno-economic analysis was conducted. Results were compared for various European gas grid standards. The sum of these efforts showed that a power-to-gas process using catalytic methanation and membrane-based gas upgrading is a viable option for production of synthetic natural gas from excess energy and CO2 provided by biogas. While production costs are high, process alterations like the recycling of off-gas streams allow for drastic cost reduction.