Dynamic Operation of Power-to-X Processes Demonstrated by Methanol Synthesis
Creators: name: Nestler, Florian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Methanolsynthese
methanol synthesis
Reaktionskinetik
reaction kinetics
Power-to-Liquid
Power-to-X
Chemische Energiespeicher
chemical energy storage

description: Chemische Energiespeicher hergestellt im Rahmen von sogenannten Power-to-X (PtX) Prozessen werden in Zukunft aufgrund des fortschreitenden Ausbaus der Strompoduktion aus regenerativen Energiequellen und der notwendigen Defossilisierung von Industrie- und Verkehrssektor eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Hierbei wird der Methanolsynthese aus Kohlendioxid (CO2) und nachhaltig produziertem Wasserstoff (H2) im Energiesystem eine Schlüsselposition zugeschrieben, da Methanol bereits heute ein wichtiger Baustein im globalen Treibstoff- und Chemiemarkt ist. Im Vergleich zur konventionellen Methanolsynthese basierend auf fossilen Energieträgern birgt die Methanolsynthese aus CO2-reichen Gasen, welche aus industriellen Prozessen, der Biomasseverwertung oder der Luft gewonnen werden, die Problematik schlechterer Gleichgewichtsumsätze, einer veränderten Reaktionskinetik und der beschleunigten Katalysatordesaktivierung. Zudem unterliegen die Herstellung von H2 aus der Wasserelektrolyse mit erneuerbarem Strom und ggf. die CO2-Versorgung aus dem gekoppelten Industrieprozess einer Dynamik, die für die Methanolsynthese eine große Abweichung vom aktuellen Stand der Technik darstellt. Für diese geänderten Rahmenbedingungen existieren in der wissenschaftlichen Gemeinschaft insbesondere zur Simulation des Synthesereaktors keine validierten Modelle. Eine detaillierte reaktionskinetische Beschreibung des Reaktionsnetzwerkes in technischen Reaktoren ist daher notwendig, um die Methanolsynthese aus nachhaltigen Rohstoffen in Zukunft zu ermöglichen. Um dieses Defizit zu adressieren, wurde in dieser Arbeit mithilfe einer skalenübertragbaren Simulationsplattform eine Miniplantanlage dimensioniert, deren Reaktor das thermochemische Verhalten eines industriellen dampfgekühlten Rohrbündelreaktors mit hoher Übereinstimmung abbildet. Ein neuartiges Messkonzept bestehend aus einer hochaufgelösten faseroptischen Temperaturmessung zur Erfassung des axialen Temperaturprofils im Reaktor sowie einer FTIR-Produktanalyse wurde implementiert, um ein Kinetikmodell für das Reaktor- und Prozessdesign abzuleiten, welches über den gesamten für Power-to-Methanol (PtM) Prozesse relevanten Parameterbereich validiert wurde. Der Vergleich zu Kinetikmodellen aus der Literatur demonstrierte deren Limitierungen und zeigte den Mehrwert des in dieser Arbeit implementierten methodischen Ansatzes sowie die Relevanz des neuen Kinetikmodells zur praktischen Umsetzung von PtM Verfahren. Darüber hinaus zeigte die Validierung des im Rahmen dieser Arbeit aufgestellten dynamischen Modells anhand eines exemplarischen Lastwechsels an der Miniplant eine hohe Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und Simulationsergebnissen. Somit konnte die hohe wissenschaftliche Relevanz des vorgestellten Miniplant-Validierungsansatzes für die Untersuchung des stationären und dynamischen Reaktorverhaltens von PtX Synthesen gezeigt werden.