Prozessoptimierung für synthetisches Erdgas aus Holz

Ligninhaltige Biomasse wie Holz und Stroh lässt sich über thermochemische Prozesse wie die Vergasung in ein brennbares Produktgas umwandeln. Das vorliegende Projekt erforschte ein weitergehendes Verfahren: Es untersuchte die verschiedenen Schritte zur Erzeugung von synthetischem Erdgas beziehungsweise Biomethan (engl.: Bio-SNG), das mittels Gasreinigung und katalytischer Wirbelschicht-Methanisierung aus dem Vergaser-Produktgas entsteht. Die Wirbelschicht-Methanisierung funktioniert im Pilotmassstab zufriedenstellend; für die kommerzielle Nutzung in grösseren Produktionsanlagen bedarf es weiterer Forschung. Im Zentrum des Projekts standen die Untersuchung von Grösse und Bewegung der Blasen im Reaktor, die Kinetik wichtiger Nebenreaktionen sowie die Frage, mit welchen technischen Rahmenbedingungen sich eine möglichst hohe Methanausbeute erreichen lässt.

Erneuerbare Energien haben häufig den Nachteil, dass sie orts- und tageszeitgebunden sind. Diese Beschränkung gilt beim Bio-SNG nicht: Die Standorte der Anlagen können flexibel gewählt werden, und das Endprodukt lässt sich überall und jederzeit in das bestehende Erdgasnetz einspeisen. Es steht als einheimischer, erneuerbarer und CO2-neutraler Ersatz für fossiles Erdgas sowie als Treibstoff für Erdgasfahrzeuge zur Verfügung.

Die bestehenden Computermodelle zur Wirbelschicht-Methanisierung wurden bisher kaum in der Praxis erprobt. Ein wichtiges Projektziel war es deshalb, reale Daten aus dem Betrieb einer Pilotanlage mit den Simulationen zu vergleichen. Auf dieser Basis soll die Wirbelschicht-Methanisierung auf kommerzielle Anlagen hochskaliert und der Prozess optimieren werden können. Im Rahmen der Experimente wurden Temperatur, Druck, Gasflüsse und Gaszusammensetzung variiert.

Die Ergebnisse des Projekts erlauben es, die Gasreinigung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik deutlich zu vereinfachen. Im Projekt wurde eine Methodik für die Bestimmung der Reaktionen der wichtigen Nebenkomponente Ethylen entwickelt. Dieses Vorgehen kann jetzt auch für die zweite Schlüsselkomponente Benzol angewendet werden.

Das in diesem Projekt erarbeitete Know-how lässt sich zudem auf eine zweite Anwendung übertragen: Dabei handelt es sich um Power-to-Gas-Anwendungen, also die Umwandlung von Strom aus erneuerbaren Energien in Gas, das anschliessend für Mobilität oder Heizzwecke verwendet werden kann. Durch die Methanisierung des Kohlendioxidanteils soll die Biomethan-Ausbeute erhöht werden.

Bei der Methanisierung von Holzvergaser-Produktgas in einem Wirbelschichtreaktor steigen im Reaktor Blasen auf und mischen die Katalysatorteilchen immer wieder durch. Dieses Phänomen verbessert einerseits die Wärmeübertragung auf die Wärmetauscher-Rohre, was zu einem gleichmässigeren Ablauf des Prozesses beiträgt. Anderseits führt die ständige Bewegung im Reaktor dazu, dass der Katalysator weniger von ungesättigten Verbindungen wie Ethylen und Benzol angegriffen wird. Das Projekt zeigte experimentell auf, unter welchen technischen Bedingungen sich eine optimale Methanausbeute erreichen lässt. Diese Erkenntnisse können nun in ein deutlich verbessertes Reaktormodell einfliessen.

Predicting the complex coupling of chemistry and hydrodynamics in fluidised bed methanation reactors for SNG production from wood (bio-SNG – fundamentals of methanation)