RT Dissertation/Thesis
T1 Biologische Wasserstoffmethanisierung in Hochdruck-Rieselbettreaktoren für Power-to-Gas-Konzepte
A1 Ullrich,Timo
WP 2019/01/24
AB Um die Klimaschutzziele zu erreichen, werden zukünftig vor allem die intermittierenden und dezentralen Energiequellen Windkraft und Photovoltaik ausgebaut. Dies stellt große Herausforderungen an die Stabilität der bestehenden Stromnetze und erfordert eine zunehmende Ausweitung der Energiespeicherung.
Hierzu kann die Power-to-Gas Technologie, ein Verfahren zur Umwandlung elektrischer in chemische Energie, eine zentrale Rolle einnehmen. In einem zweistufigen Prozess wird zunächst Wasserstoff mittels Elektrolyse aus „Überschussstrom“ erzeugt, welcher schließlich mit Kohlenstoffdioxid zu Methan umgewandelt wird. Dieses ist nahezu unbegrenzt im Erdgasnetz speicher- sowie transportierbar und kann flexibel in den unterschiedlichsten Anwendungen genutzt werden.
Neben der chemisch-katalytischen Konversion kann Methan auch durch Mikroorganismen aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid gebildet werden. Diese biologische Wasserstoffmethanisierung (Biological Hydrogen Methanation (BHM)) zeichnet sich durch ein flexibles Lastwechselverhalten sowie eine ausgeprägte Robustheit hinsichtlich der Eduktgasbeschaffenheit aus. Im Vergleich zur chemisch-katalytischen Methanisierung werden jedoch nur deutlich geringere Gasdurchsätze erreicht, was zur relativ großen Reaktoren führt und als eine der größten Herausforderung dieses Verfahrens gilt. Aus diesem Grund war es das Ziel dieser Arbeit, Hochdruck-Rieselbettreaktoren zur biologischen Wasserstoffmethanisierung hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit zu optimieren.
Der Fokus lag dazu auf Maßnahmen zur Verbesserung des Gas-Flüssig-Stofftransports, wie sie in der Literatur zwar beschrieben sind, im Zusammenhang mit diesem Konzept jedoch noch nicht untersucht wurden. Zur Durchführung der experimentellen Untersuchungen wurde eine vollständig automatisierte und kontinuierlich betriebene Versuchsanlage im Labormaßstab neu konzipiert und aufgebaut.
In den Untersuchungen der ersten Publikation wurde zunächst der Betriebsdruck in den Stufen 1,5, 5 und 9 bar variiert. Dabei konnten mit steigendem Druck die Konversionsraten erhöht und die relative Gasqualität um 34 % gesteigert werden. Weiterhin wurde in einer weiteren Publikation die Zirkulation der Prozessflüssigkeit auf das Rieselbett der Reaktoren für die Dauer von bis zu 1440 min pausiert. Es zeigte sich eine deutliche Steigerung aller Leistungsparameter bei maximalen Methangehalten > 97 Vol.-% mit steigender Zirkulationspause. Schließlich wurden auch unterschiedliche Temperaturstufen von 40 – 55 °C untersucht. Trotz der kontinuierlichen Steigerung der Gasdurchsätze im Zuge der Publikation konnten auch hier die Leistungsparameter nochmals gesteigert werden. Insgesamt konnte mit der Kombination der Optimierungsmaßnahmen die Leistung bezogen auf die reaktorspezifische Methanproduktionsrate (Methane Formation Rate (MFR)) von 4,28 ± 0,26 m3 m-3 d-1 auf 8,85 ± 0,43 m3 m-3 d-1 mehr als verdoppelt werden, bei einer gleichzeitigen Steigerung des Methananteils im Produktgas.
Regelmäßige Analysen der Prozessflüssigkeit, insbesondere der Säurekonzentrationen, sowie die konstanten Konversionsraten deuteten in allen Versuchen auf einen stabilen biologischen Prozess hin. Die Durchführung der Versuche mit drei baugleichen Reaktoren unterstreicht zudem eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Auffällig war eine schnelle Adaption der Mikroorganismen an die sich ändernden Betriebsparameter innerhalb von maximal 24 Stunden. Die Leistungssteigerungen konnten somit auf die erfolgreiche Steigerung der Gas-Flüssig-Stoffaustauschrate bezogen werden und nicht etwa auf eine veränderte Mikroorganismenkonzentration oder -selektion.
Insgesamt wurde in der vorliegenden Studie das Ziel der Leistungssteigerung des untersuchten Reaktorkonzeptes durch die Optimierung der Prozessparameter erfolgreich nachgewiesen. Die Untersuchungen belegen zudem, dass Hochdruck-Rieselbettreaktoren sehr gut für die biologische Wasserstoffmethanisierung geeignet sind. Dieses Reaktorkonzept zeichnete sich in den vorliegenden Untersuchungen durch einen äußerst stabilen und unkomplizierten Betrieb über mehrere Monate hinweg aus. Damit ist das Verfahren der biologischen Methanisierung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in Hochdruck-Rieselbettreaktoren ein zuverlässiges, flexibles und somit vielversprechendes Konzept für Power-to-Gas Anwendungen im technischen Maßstab.
K1 Methanisierung
K1 Wasserstoff
K1 Power-to-Gas
K1 Erneuerbare Energien
K1 Rieselreaktor
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2019/1553