Unsteady-State Operation of a Fixed-Bed Recycle Reactor for the Methanation of Carbon Dioxide

Power-to-X Prozesse bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten zur Langzeitspeicherung von elektrischem Strom und koppeln dabei die Stromerzeugung direkt mit Energie verbrauchenden Sektoren (Sektorkopplung). Anwendungsfälle sind zum Beispiel die Wärmebereitstellung (Power-to-Heat) oder die Nutzung in der chemischen Industrie durch die Bereitstellung von Wasserstoff über eine Wasserelektrolyse. Beim Power-to-Gas (PtG) Verfahren wird der elektrolytisch produzierte Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid bzw. -monoxid gemischt und anschließend katalytisch in Methan umgewandelt (Methanisierung). Methan kann aufgrund der etablierten Infrastruktur im Erdgasnetz gespeichert, zur Wärme- und Stromproduktion eingesetzt oder für Erdgasfahrzeuge genutzt werden.
Im ersten Prozessschritt des PtG-Verfahrens wird die Elektrolyse aufgrund der stark schwankenden Strombereitstellung durch Sonnen- und Windenergie dynamisch betrieben. Durch einen ebenfalls dynamischen Betrieb der Methanisierung können die Kosten der Wasserstoffspeicherung deutlich reduziert werden. Jedoch wurden die unter instationären Bedingungen auftretenden Phänomene und angepasste Betriebsstrategien bisher nicht ausreichend untersucht. Daher ist es das Ziel dieser Forschungsarbeit, den instationären Betrieb der exothermen Methansynthese am Beispiel eines Festbett-Kreislaufreaktors zu untersuchen. Mit dem Konzept der Produktrückführung wurde bisher versucht, den Reaktor zu kühlen. In dieser Arbeit soll auch überprüft werden, ob sich die Produktrückführung als Regelgröße eignet, da es sich dabei um eine physikalische Rückkopplungsschleife handelt. Zusätzlich sollen die Ergebnisse hinsichtlich Lastflexibilität, Reaktordesign sowie Betriebs- und Regelungsstrategien zusammengefasst werden.