Post on 30-Jul-2020
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE
Flexible Power-to-X-Prozesse am Beispiel von Methanol Entwicklung eines dynamischen Verfahrens zur Herstellung chemischer Energieträger
F. Nestler1,2, J. Full1, M. J. Hadrich1, O. M. Salem1, A. Schaadt 1, S. Bajohr2, C. Hebling1, T. Kolb2 1Fraunhofer-Insitut für Solare Energiesysteme ISE, Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg 2Engler-Bunte-Institut, Teilinstitut Chemische Energieträger-Brennstofftechnologie, Engler-Bunte Ring 1-7, 76131 Karlsruhe
Motivation
Fortschreitender Ausbau erneuerbarer Energiequellen
Fluktuationen in elektrischen Netzen nehmen zu
Ausfallarbeit der erneuerbaren Energieträger 2018 ca. 5,4 TWh [2]
Entschädigungsansprüche von 635,4 Mio. Euro [1]
Synthese chemischer Energieträger ist eine vielversprechende Technologie, um Stromüberschüsse nutzbar zu machen
Power-to-Methanol-Prozesskette
Die Arbeit von Florian Nestler wird im Rahmen des Promotionsstipendien-programms der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.
Results
• Simulation case: • SN = 2.1, COR = 0.9,
xinert = 0.0, p = 80 bar, GHSV = 10,000 h-1
• Kinetic model developed by Bussche [2]
CO2 + 3H2 ⇌ CH3OH + H2O ΔHR0 = −50 kJ mol−1
CO + 2H2 ⇌ CH3OH ΔHR0 = −91 kJ mol−1
CO + H2O ⇌ CO2 + H2 ΔHR0 = −41 kJ mol−1
P
t
Industry, biomass, air
Renewable energies
+ water
Gas pre-
paration
Methanol
synthesis
Product
purification Consumer
H2
CO2
CO Inerts
MeOH
H2O
Focus of this work
MeOH
Power-to-Methanol process chain Reaction network Feed gas key indicators
Carbon Oxide Ratio [1] COR =xCO2
xCO+xCO2
Stoichiometric Number SN =xH2−xCO2
xCO+xCO2
Inert gas content xinert = xCH4+ xN2
Aufbereitung
stationär
H2O
Industrie Biomasse
MeOH +H2O
CO2 + CO
P
t H2
t
t
CGH2Puffer
MeOH
Gasbereitstellung
dynamisch
H2 + COx Methanolsynthese
dynamisch
Sturmtief Bennet
[1] https://www.energy-charts.de/ Aufruf: 01.07.2019 [2] Bundesnetzagentur (Ed.) (2019): Bericht zu Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen. 4. Quartal und Gesamtjahr 2018.
„Verschenken“ von Strom ins Ausland
Ausfallarbeit von 5.403 GWh in 2018 [2]
635,4 Mio. €
Strompreis Börse: ≈ 5,0 ct/kWh
Strompreis Börse: -3,4 ct/kWh
1D-stationär 1D-dynamisch 2D-dynamisch
Stoffdaten Wärmeübergang Kinetik Diffus ion Prozessdaten Druckverlust
Reaktormodell
Lastsprung: 100% 40% Lastsprung: 100% 40%
Abb. 1: Netzlastprofil in Kalenderwoche 9/2019 [1]
Methanol mit jährlicher Produktion von ca. 90 Mio. t eine der wichtigsten Basischemikalien weltweit [3]
Abb. 2: Schematische Darstellung der Power-to-Methanol Prozesskette
Technologischer Hintergrund
Hohe CO2- und N2-Anteile im Synthesegas
Dynamische Änderung der Gaszusammensetzung
Untersuchung thermodynamischer und reaktionstechnischer Vorgänge im Synthesereaktor unter fluktuierenden Lastbedingungen
Ziele der Arbeit:
Grenzen der Dynamik erforschen
Alternative Reaktor- und Prozesskonzepte entwickeln
Wissenschaftliche Herausforderungen
Abb. 4: Vergleich von nachhaltigen und konven- tionellen Make-Up-Gasen (MUG) für die Methanolsynthese [3]
Abb. 3: Reaktor für die Methanolsynthese mit schematisch dargestelltem axialen Temperaturprofil
CO2 + 3H2 ⇌ CH3OH + H2O ΔHR0 = −50 kJ mol−1
CO + 2H2 ⇌ CH3OH ΔHR0 = −91 kJ mol−1
CO + H2O ⇌ CO2 + H2 ΔHR0 = −41 kJ mol−1
Reaktionsnetzwerk:
Synthesebedingungen:
Druck: 50 bar < p < 85 bar
Temperatur: 200 °C < T < 280 °C
Wichtige Kennziffern:
Inertgasanteil yinert = yCH4+ yN2
Carbon Oxide Ratio [3] COR =yCO2
yCO+yCO2
Stöchiometrische Zahl SN =yH2−𝑦CO2
𝑦+yCO2
Ergebnisse & Ausblick Methodik
Theoretische Beschreibung der Vorgänge im Reaktor
Mehrschichtiges Reaktormodell (Basis: MATLAB und Simulink)
Modularer Aufbau zur Diskussion unterschiedlicher Teilaspekte im stationären und dynamischen Anlagenbetrieb
Reaktormodelle auf allen Detailgraden in Gesamtprozesssimulation integrierbar
Abb. 5: Aufbau der modularen Simulationsplattform in MATLAB®/Simulink
Referenzen:
[1] Fraunhofer ISE (Ed.) (2019): Energy Charts. Available online at https://www.energy-charts.de/, zuletzt aufgerufen am 01.07.2019. [2] Bundesnetzagentur (Ed.) (2019): Bericht zu Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen. 4. Quartal und Gesamtjahr 2018. [3] Nestler, Florian; Krüger, Matthias; Full, Johannes; Hadrich, Max J.; White, Robin J.; Schaadt, Achim (2018): Methanol Synthesis - Industrial Challenges within a Changing Raw Material Landscape. In Chemie Ingenieur Technik 90 (10), pp. 1409–1418. DOI: 10.1002/cite.201800026
Make-Up-Gas
Kern des Reaktormodells bilden Submodelle für Wärmeübergang, Pulverkinetik sowie Diffusion
Validierung der Simulationsergebnisse durch Experimente an Miniplant-Anlage im industrienahen Maßstab
Dynamisches Messkonzept zur Analyse der Vorgänge im Reaktor in Echtzeit
Hochauflösende faseroptische Temperaturmessung im Reaktor
Online-Gasanalytik mittels FTIR
Abb. 5: Methodik der Promotionsarbeit mit Simulation und Validierung durch experimentelle Arbeiten
Abb. 6: Sensitivitätsanalyse ausgehend vom Basisfall COR = 0,75; SN = 2,1; yinert = 0,0 bei einem Synthesedruck von 65 bar
Insbesondere Schwankungen von COR kritisch für Reaktorauslegung
Jede Gaszusammensetzung führt zu „Fingerabdruck“ in Reaktor
Überprüfung durch Miniplant anhand Faseroptik
Vorhersage von Lastwechseln durch Temperaturprofil
Möglichkeit zur Prozessintensivierung
Implementierung von Mechanismen zur Prozessregelung und -optimierung
Prüfung der Übertragbarkeit auf andere Power-to-X-Technologien