DE102015214592A1 - Process for producing a fuel gas and plant for producing a fuel gas with an electrolysis system for electrochemical carbon dioxide utilization - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Biogasanlage mit einem Elektrolysesystem, z.B. einem Elektrolyseur (1), mit einer Anode (A), einer Kathode (K) und einer Membran (M) zur Trennung von Anolyt- und Katholytkreislauf (AK, KK). Das bei der Biogaserzeugung entstehende Abgas Kohlenstoffdioxid (CO2) wird weiter verwertet, um den Ausstoß in die Atmosphäre zu vermeiden. Mit dem Elektrolyseur (1) und beispielsweise einem angeschlossenen Reaktor (2) wird das Kohlenstoffdioxid (CO2) zu essentiell wichtigen Stoffen für die Brenngas-Herstellung weiterverarbeitet, die dem Biogas dann zugesetzt werden und dessen Brennwert signifikant erhöhen.Described is a biogas plant with an electrolysis system, e.g. an electrolyzer (1), with an anode (A), a cathode (K) and a membrane (M) for the separation of anolyte and catholyte circuit (AK, KK). The carbon dioxide (CO2) produced during biogas production is recycled to avoid emissions to the atmosphere. With the electrolyzer (1) and, for example, a connected reactor (2), the carbon dioxide (CO2) is processed into essential substances for fuel gas production, which are then added to the biogas and significantly increase its calorific value.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Brenngas. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Herstellung eines Brenngases. The present invention relates to a production process for a fuel gas. Moreover, the present invention relates to a plant for producing a fuel gas.
Stand der Technik State of the art
Das in Bioreaktoren von Biogasanlagen erzeugte Gasgemisch enthält in etwa um die 55% Methan (CH4), um die 45% Kohlenstoffdioxid (CO2) und diverse Spuren wie beispielsweise Schwefelwasserstoff (H2S) oder Amine. Das Biogas in dieser Zusammensetzung kann so nicht in das Erdgasnetz eingespeist werden. Im Vergleich zu Typ-H-Erdgas im Jahr 2011 aus Russland muss das Kohlenstoffdioxid aus dem Biogas fast vollständig entfernt werden und der fehlende Anteil höherer homologer Gase wie Ethan, Propan oder Butan, die für die Erhöhung des Heiz- bzw. Brennwertes sorgen, muss bislang teuer ausgeglichen werden. The gas mixture produced in bioreactors of biogas plants contains approximately 55% methane (CH 4 ), around 45% carbon dioxide (CO 2 ) and various traces such as hydrogen sulfide (H 2 S) or amines. The biogas in this composition can not be fed into the natural gas grid. Compared to type H natural gas in 2011 from Russia, the carbon dioxide from the biogas must be almost completely removed and the lack of higher homologous gases such as ethane, propane or butane, which provide for the increase in heating or heating value must so far expensive to be compensated.
Die notwendige Abtrennung des Kohlenstoffdioxids aus dem Biogas birgt den weiteren Nachteil, dass durch dessen Ausstoß in die Atmosphäre ein weiterer Beitrag zur Klimaschädigung durch Kohlenstoffdioxid erfolgt. The necessary separation of the carbon dioxide from the biogas has the further disadvantage that its emission into the atmosphere makes a further contribution to climate damage by carbon dioxide.
Aktuell wird noch ca. 80 % des weltweiten Energiebedarfs durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen gedeckt, deren Verbrennungsprozesse eine weltweite Emission von etwa 34000 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre pro Jahr verursacht. Durch diese Freisetzung in die Atmosphäre wird der Großteil an Kohlenstoffdioxid entsorgt, was z.B. bei einem Braunkohlekraftwerk bis zu 50000 Tonnen pro Tag betragen kann. Kohlenstoffdioxid gehört zu den sogenannten Treibhausgasen, deren negative Auswirkungen auf die Atmosphäre und das Klima diskutiert werden. Da Kohlenstoffdioxid thermodynamisch sehr niedrig liegt, kann es nur schwierig zu wiederverwertbaren Produkten reduziert werden, was die tatsächliche Wiederverwertung von Kohlenstoffdioxid bisher in der Theorie beziehungsweise in der akademischen Welt belassen hat. Currently, about 80% of the world's energy needs are met by the burning of fossil fuels, whose combustion processes cause a worldwide emission of about 34,000 million tonnes of carbon dioxide into the atmosphere each year. Due to this release into the atmosphere, most of the carbon dioxide is disposed of, e.g. for a lignite-fired power plant, up to 50,000 tonnes per day. Carbon dioxide is one of the so-called greenhouse gases whose negative effects on the atmosphere and the climate are discussed. Since carbon dioxide is thermodynamically very low, it can be difficult to reduce to recyclable products, leaving the actual recycling of carbon dioxide in theory or academia.
Ein natürlicher Kohlenstoffdioxid-Abbau erfolgt beispielsweise durch Fotosynthese. Dabei werden in einem zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgegliederten Prozess Kohlenstoffdioxid zu Kohlehydraten umgesetzt. Dieser Prozess ist so nicht einfach großtechnisch adaptierbar. Eine Kopie des natürlichen Fotosyntheseprozesses mit großtechnischer Fotokatalyse ist bisher nicht ausreichend effizient. Die Fotosynthese selbst ist mit weniger als 1% selbst ja auch nicht gerade effizient. Natural carbon dioxide degradation occurs, for example, through photosynthesis. In this process, carbon dioxide is converted into carbohydrates in a temporally and on a molecular level spatially divided into many steps. This process is not easily adaptable on an industrial scale. A copy of the natural photosynthesis process with large-scale photocatalysis is not yet sufficiently efficient. Even with less than 1%, the photosynthesis itself is not exactly efficient.
Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, eine Lösung vorzuschlagen, wie aus einer Biogasanlage gewonnenes Biogas kostengünstig und ökologisch auf Einspeisequalität gebracht werden kann. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung ausschließlich mit volatilen Energiequellen auskommen können. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brenngasanlage und ein verbessertes Herstellungsverfahren für ein regeneratives Brenngas anzugeben. Consequently, it is technically necessary to propose a solution, such as biogas obtained from a biogas plant can be cost-effectively and ecologically brought to feed quality. In particular, the proposed solution should be able to manage only with volatile energy sources. It is an object of the invention to provide an improved fuel gas system and an improved manufacturing method for a regenerative fuel gas.
Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Anlage zur Brenngaserzeugung gemäß dem Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. These objects of the present invention are achieved by a manufacturing method according to claim 1 and by a plant for producing fuel gas according to claim 11. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für ein Brenngas umfasst einen ersten Schritt, in dem ein Katholyt in einem Katholytkreislauf geführt wird, der Katholyt sowie Kohlenstoffdioxid in einen Kathodenraum eingebracht werden und in Kontakt mit einer Kathode gebracht werden, wo zumindest ein Teil des Kohlenstoffdioxids zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird, wobei für diesen ersten Schritt ein Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxidverwertung eingesetzt wird. Es wird in diesem Elektrolysesystem ein erstes Produktgasgemisch erzeugt, welches Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoffgas aufweist, wobei das erste Produktgasgemisch anschließend in einen Reaktor übergeleitet wird. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für ein Brenngas umfasst außerdem einen zweiten Schritt, in dem zumindest ein Teil des ersten Produktgasgemisches im Reaktor zu einem zweiten Produktgasgemisch umgesetzt wird, welches gasförmige, insbesondere kurzkettige, Kohlenwasserstoffe aufweist, insbesondere Propan (C3H8) und/oder Butan (C4H10). In einem dritten Schritt wird dieses zweite Produktgasgemisch dann einem Vorrat an methanhaltigem Gas (CH4) zugesetzt. Unter kurzkettigen Kohlenwasserstoffen sind aliphatische Kohlenwasserstoffverbindungen mit Kettenlängen von bis zu sieben Kohlenstoffatomen zu verstehen. The fuel gas production method of the present invention comprises a first step of passing a catholyte in a catholyte circuit, introducing the catholyte and carbon dioxide into a cathode compartment and bringing them into contact with a cathode where at least a portion of the carbon dioxide is reduced to carbon monoxide, wherein for this first step, an electrolysis system is used for carbon dioxide utilization. It is generated in this electrolysis system, a first product gas mixture having carbon monoxide and hydrogen gas, wherein the first product gas mixture is then transferred to a reactor. The inventive production method for a fuel gas also comprises a second step, in which at least a portion of the first product gas mixture is reacted in the reactor to a second product gas mixture, which gaseous, in particular short-chain, hydrocarbons, in particular propane (C 3 H 8 ) and / or butane (C 4 H 10 ). In a third step, this second product gas mixture is then added to a supply of methane-containing gas (CH 4 ). Short-chain hydrocarbons are to be understood as meaning aliphatic hydrocarbon compounds having chain lengths of up to seven carbon atoms.
Unter einem Reaktor ist dabei insbesondere ein chemischer Reaktor zu verstehen, der ausgestaltet ist, dass darin chemische Prozesse ablaufen können bzw. darin chemische Umsetzungen durchgeführt werden können. Es kann sich beispielsweise um einen Rührkessel oder um ein Strömungsrohr handeln, welches als Durchflussreaktor geeignet ist. Je nachdem, welche Art von Reaktionen im Reaktor ablaufen soll, kann es sich um einen Reaktor handeln, der z.B. für exotherme Reaktionen höchst hitzebeständig ist bzw. über den einer Reaktion Wärme zu- oder abgeführt werden kann. Es kann sich um einen Hochdruckreaktor handeln oder der Reaktor kann mit verschiedenen Kammern, Rohren etc. einem bevorzugten chemischen Reaktionsablauf angepasst sein. A reactor is to be understood in particular as meaning a chemical reactor which is designed such that chemical processes can take place therein or chemical reactions can be carried out therein. It may be, for example, a stirred tank or a flow tube, which is suitable as a flow reactor. Depending on which type of reaction is to take place in the reactor, it may be a reactor which is highly heat-resistant, for example, for exothermic reactions or via which heat can be added or removed to a reaction. It may be a high-pressure reactor or the reactor may be adapted to various chambers, tubes, etc. a preferred chemical reaction sequence.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat den Vorteil, Kohlenstoffdioxid zu einem Wertstoff weiterzuverarbeiten. Gleichzeitig wird dabei ein Produktgasgemisch erzeugt, dessen kurzkettige Kohlenwasserstoffe, bereits in geringen Mengen einem methanhaltigen Gasvolumen hinzugefügt, dieses zu einem Brenngas aufwerten, wie es in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. The production process according to the invention has the advantage of further processing carbon dioxide into a valuable material. At the same time, a product gas mixture is produced, whose short-chain hydrocarbons, already added in small amounts to a methane-containing gas volume, upgrade this to a fuel gas, as it can be fed into the natural gas grid.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren einen vorangestellten Schritt, in dem in einem Bioreaktor aus Biomasse Biomethan erzeugt wird. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the production method comprises a preceding step in which biomethane is produced from biomass in a bioreactor.
Unter einem Bioreaktor ist dabei beispielsweise ein Fermenter zu verstehen, wie er bevorzugt in Biogasanlagen eingesetzt wird. Darin wird die Biomasse in einem anaeroben Prozess in mehreren Schritten zu Biogas und einem Gärrest abgebaut. Der Fermenter ist ein Behälter, der in der Regel luftdicht abschließbar ist und z.B. über ein Rührwerk verfügt sowie über verschiedene Mess-, Steuer- und Regeltechnikeinrichtungen, um den Prozess zu kontrollieren. Für diesen Vergärungsprozess ist zumeist Biomasse jeder Art geeignet. In der Regel werden Abfälle als auch nachwachsende Rohstoffe in Bioreaktoren vergoren. Das dabei entstehende Biogas ist ein brennbares Gas. Dieses enthält zunächst um die 55% Methan (CH4) und um die 45% Kohlenstoffdioxid (CO2) und diverse Spuren, wie beispielsweise Schwefelwasserstoff oder Amine. Under a bioreactor is, for example, a fermenter to understand how it is preferably used in biogas plants. In it, the biomass is degraded in an anaerobic process in several steps to biogas and a digestate. The fermenter is a container that is normally airtight and has, for example, an agitator and various measuring and control technology devices to control the process. For this fermentation process mostly biomass of any kind is suitable. As a rule, waste and renewable raw materials are fermented in bioreactors. The resulting biogas is a combustible gas. This contains first around 55% methane (CH 4 ) and around 45% carbon dioxide (CO 2 ) and various traces, such as hydrogen sulfide or amines.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren einen weiteren vorangestellten Schritt, in dem wie beschrieben erzeugtem Biogas, das enthaltene Kohlenstoffdioxid entzogen wird und dieses Kohlenstoffdioxid dem Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxidverwertung zugeführt wird. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the manufacturing process comprises a further preceding step, in the biogas produced as described, the carbon dioxide contained is withdrawn and this carbon dioxide is fed to the electrolysis system for carbon dioxide utilization.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren noch einen weiteren vorangestellten Schritt: Nach der Entziehung des Kohlenstoffdioxids aus dem Biogas wird das übrige Biomethan dem Vorrat an methanhaltigem Gas zugeführt. Zuerst wird Biogas aus der Vergärung von Biomasse erzeugt, diesem Biogas wird dann das enthaltene Kohlenstoffdioxid entzogen und dieses Kohlenstoffdioxid wird dem Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxidverwertung zugeführt. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the manufacturing process comprises a further preceding step: After the removal of the carbon dioxide from the biogas, the remaining biomethane is supplied to the supply of methane-containing gas. First, biogas is produced from the fermentation of biomass, this biogas is then removed from the carbon dioxide contained and this carbon dioxide is fed to the electrolysis system for carbon dioxide utilization.
Unter Biomethan ist dabei ein brennbares Gasgemisch zu verstehen, welches mindestens 96 Mol% Methan (CH4) aufweist. Gemeinhin wird von Biomethan gesprochen, auch wenn das Biomethangasgemisch noch Spuren wie beispielsweise Schwefelwasserstoff (H2S) aufweist, welche aber mengenmäßig unterhalb von 0,01 Mol%, überwiegend im ppm-Bereich liegen. Dabei steht ppm für parts per million und 1 ppm entspricht 0,0001%. By biomethane is meant a combustible gas mixture which has at least 96 mol% methane (CH 4 ). Commonly spoken of biomethane, even if the Biomethangasgemisch still traces such as hydrogen sulfide (H 2 S), but which are quantitatively below 0.01 mol%, predominantly in the ppm range. Where ppm is parts per million and 1 ppm is 0.0001%.
Diese Variante des Herstellungsverfahrens hat den Vorteil, Brenngas vollständig aus Biomasse gewinnen zu können. Die Kopplung der Biomassevergärung an das Elektrolysesystem und die Verwertung des Kohlenstoffdioxidanteils im Biogas zu höheren Homologen, mittels derer das Biomethan wiederum auf einen höheren Heiz- bzw. Brennwert aufgewertet werden kann, macht diesen Brenngasherstellungsprozess unabhängig von anderen Energiequellen. This variant of the manufacturing process has the advantage of being able to completely extract fuel gas from biomass. The coupling of the biomass fermentation to the electrolysis system and the utilization of the carbon dioxide content in the biogas to higher homologs, by means of which the biomethane in turn can be upgraded to a higher heating or heating value, makes this fuel gas production process independent of other energy sources.
Die Extraktion des Kohlenstoffdioxids aus dem Biogas kann beispielsweise über eine Aminwäsche, mittels Aminoethanol-Verbindungen oder Aminosäuren oder alternativ über eine Druckwechselabsorption mit Wasser und/oder Methanol erfolgen. The extraction of the carbon dioxide from the biogas can be carried out, for example, via amine scrubbing, by means of aminoethanol compounds or amino acids or alternatively via a pressure swing absorption with water and / or methanol.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Herstellungsverfahren die elektrische Energie für die Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse beispielsweise aus erneuerbaren Strom- bzw. Energiequellen entnommen. Dabei ist in dem Elektrolysesystem beispielsweise je ein Pufferspeicher für das zu verwertende Kohlenstoffdioxid als auch für das erste Produktgasgemisch vorgesehen. So kann die Kohlenstoffdioxid-Verwertung in Zeiten betrieben werden, in denen elektrischer Strom aus volatilen Energiequellen zur Verfügung steht oder beispielsweise kann so die Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse auch an Zeiten eines Stromüberangebotes gekoppelt sein, unabhängig aus welcher Quelle. Bevorzugt bedient sich das gesamte Herstellungsverfahren, wo notwendig, an erneuerbaren Stromquellen. In a preferred embodiment of the invention, the electrical energy for the carbon dioxide electrolysis, for example, taken from renewable electricity or energy sources in the manufacturing process. In this case, for example, a respective buffer storage for the carbon dioxide to be utilized as well as for the first product gas mixture is provided in the electrolysis system. Thus, the carbon dioxide utilization can be operated in times in which electric power from volatile energy sources available or, for example, so the carbon dioxide electrolysis even at times of Stromüberangebotes be coupled, regardless of which source. Preferably, the entire manufacturing process uses, where necessary, renewable sources of electricity.
Insbesondere wird das Herstellungsverfahren im ersten Schritt so betrieben, beziehungsweise das Elektrolysesystem so eingestellt, dass das erste Produktgasgemisch neben Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoffgas auch einen Anteil an Kohlenstoffdioxid von mindestens 0,1 Vol.-% aufweist. Insbesondere beträgt der Anteil an Kohlenstoffdioxid im ersten Produktgasgemisch mindestens 1 Vol.-%, vorteilhafterweise zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-%, bevorzugt mindestens 3 Vol.-%. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Reduktionsreaktion nicht in allen Regelparametern auf eine reine Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoffgas optimiert sein muss, außerdem bewirkt der Kohlenstoffdioxidanteil bei der anschließenden Umwandlung des ersten Produktgasgemisches in das zweite eine hohe Ausbeute an den gewünschten kurzkettigen Kohlenwasserstoffen. Für die Erzeugung langkettiger Kohlenwasserstoffe über Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoffgas als Edukte müsste das Synthesegasgemisch bis in den ppm-Bereich frei von Kohlenstoffdioxid sein. Der Rectisol-Prozess etwa, eine physikalische Sauergaswäsche, liefert gereinigte Synthesegasgemische deren Kohlenstoffdioxid-Restgehalt zwischen 2 Vol.-ppm und 3 Vol.-% liegt. In particular, the production process is operated in the first step, or set the electrolysis system so that the first product gas mixture in addition to carbon monoxide and hydrogen gas also has a proportion of carbon dioxide of at least 0.1 vol .-%. In particular, the proportion of carbon dioxide in the first product gas mixture is at least 1% by volume, advantageously between 1% by volume and 5% by volume, preferably at least 3% by volume. This has the advantage that the reduction reaction does not have to be optimized in all control parameters for a pure production of carbon monoxide and hydrogen gas, moreover, the carbon dioxide content in the subsequent conversion of the first product gas mixture in the second causes a high yield of the desired short-chain hydrocarbons. For the production of long-chain hydrocarbons via carbon monoxide and hydrogen gas as starting materials, the synthesis gas mixture would have to be free of carbon dioxide down to the ppm range. The Rectisol process, for example, a physical acid gas scrubbing, provides purified synthesis gas mixtures whose residual carbon dioxide content is between 2 ppm by volume and 3% by volume.
In einer besonders vorteilhaften Variante des Herstellungsverfahrens werden die Bestandteile des ersten Produktgasgemisches in einem gemeinsamen Elektrolyseschritt erzeugt. Dabei werden insbesondere die Stromdichte an der Kathode und/oder der Druck und/oder die Temperatur im Kathodenraum als Regelparameter für die Zusammensetzung des ersten Produktgasgemisches eingesetzt. Die Temperatur wird bevorzugt zwischen 5°C und 130°C variiert, der Druck zwischen Normaldruck und 40bar. Die gemeinsame Erzeugung hat den Vorteil, dass nur ein einziger Elektrolyseur benötigt wird. In wässrigen Elektrolyten lösen sich bei Normaldruck und Raumtemperatur maximal 3g Kohlenstoffdioxid pro 1000g Lösung, also 0,3 Gewichtsprozent. Wird der Elektrolyseur bei (zu) hoher Stromdichte betrieben, findet als zusätzliche Konkurrenzreduktionsreaktion die Umwandlung von Wasser zu Wasserstoffgas an der Kathode statt. So bildet neben dem Druck die Stromdichte einen Regelparameter zur Erzeugung des angestrebten Kohlenstoffmonoxid-Wasserstoff-Gasgemisches. Außerdem werden die Regelparameter so gewählt, dass sich in dem ersten Produktgasgemisch auch noch ein Kohlenstoffdioxidanteil befindet. In a particularly advantageous variant of the production method, the constituents of the first product gas mixture are generated in a common electrolysis step. In particular, the current density at the cathode and / or the pressure and / or the temperature in the cathode space are used as control parameters for the composition of the first product gas mixture. The temperature is preferably varied between 5 ° C and 130 ° C, the pressure between atmospheric pressure and 40bar. The joint production has the advantage that only a single electrolyzer is needed. In aqueous electrolytes, at atmospheric pressure and room temperature, a maximum of 3 g carbon dioxide dissolve per 1000 g solution, ie 0.3 percent by weight. If the electrolyzer is operated at (too) high current density, the conversion of water to hydrogen gas takes place at the cathode as additional competition reduction reaction. Thus, in addition to the pressure, the current density forms a control parameter for generating the desired carbon monoxide-hydrogen gas mixture. In addition, the control parameters are selected so that in the first product gas mixture is also still a carbon dioxide content.
Alternativ können Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff in verschiedenen Elektrolyseschritten, respektive in verschiedenen Elektrolyseeinheiten erzeugt werden und nach der Erzeugung in gewünschter Zusammensetzung zu dem ersten Produktgasgemisch zusammengeführt werden. Die Aufteilung auf zwei Elektrolyseschritte bietet den Vorteil, die Elektrolyseure optimal auf die jeweilige Reduktionsreaktion anzupassen und für den Folgeprozess überflüssiges Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoffgas vor der Zusammenführung zum ersten Produktgasgemisch aus dem System ausleiten zu können, um dieses anderweitig einzusetzen. Diese Alternative ist von besonderem Vorteil für Großanlagen, bei denen weniger auf die Investitionskosten geschaut wird sondern viel mehr Wert auf die Energieeffizienz gelegt wird. Denn vor allem die für die Reduktionsreaktion zu Wasserstoffgas wird im Kohlenstoffdioxid-Elektrolyseur eine energieraubende hohe Überspannung benötigt. Alternatively, carbon monoxide and hydrogen can be produced in different electrolysis steps, respectively in different electrolysis units, and combined after production in the desired composition to form the first product gas mixture. The division into two electrolysis steps offers the advantage of optimally adapting the electrolysers to the respective reduction reaction and of being able to discharge excess carbon monoxide or hydrogen gas from the system for the subsequent process to the first product gas mixture in order to use it elsewhere. This alternative is of particular advantage for large-scale plants, where less attention is paid to the investment costs but much more emphasis is placed on energy efficiency. Because especially for the reduction reaction to hydrogen gas in the carbon dioxide electrolyzer energy-consuming high overvoltage is needed.
Vorzugsweise wird in dem zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens eine Fischer-Tropsch-Synthese gefahren, mittels derer zumindest ein Teil des Produktgasgemisches in dem Reaktor in ein zweites Produktgasgemisch umgesetzt wird, welches dann gasförmige Kohlenwasserstoffe aufweist, insbesondere Propan und/oder Butan. In dem beschriebenen Herstellungsverfahren kann dieses zweite Produktgasgemisch beispielsweise direkt, das heißt etwa ohne einen Zwischenschritt zur Aufreinigung, dem Methanreservoir zugeführt werden. Preferably, in the second step of the production process, a Fischer-Tropsch synthesis is run, by means of which at least part of the product gas mixture in the reactor is converted into a second product gas mixture, which then comprises gaseous hydrocarbons, in particular propane and / or butane. In the described production method, this second product gas mixture can be supplied to the methane reservoir, for example directly, that is to say without an intermediate step for purification.
Dazu wird typischerweise ein Fischer-Tropsch-Reaktor eingesetzt. Mit Fischer-Tropsch-Synthese, manchmal auch Fischer-Tropsch-Verfahren, wird ein großtechnisches Verfahren zur Kohleverflüssigung bezeichnet. Dabei geschieht eine heterogenkatalytische Umwandlung von Synthesegas, einem Kohlenstoffmonoxid-Wasserstoff-Gemisch, in ein breites Spektrum gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, aus verschiedenen Arten von Kohle und anderen Kohlenstoffquellen, flüssige schwefelarme synthetische Kraftstoffe, synthetische Motoröle und Kohlenwasserstoffe als Rohstoffbasis für die chemische Industrie herzustellen. In der Regel weist ein für den Fischer-Tropsch-Prozess geeigneter Reaktor also eine Zuführung für die Kohle bzw. das Synthesegas auf, einen Dampfauslass, einen Gasauslass, der vorzugsweise direkt an einen Gaswäscher weiterleitet, einen Wassermantel zur Kühlung, einen Antrieb für einen Verteiler sowie einen Drehrost und eine Ascheschleuse. For this purpose, a Fischer-Tropsch reactor is typically used. Fischer-Tropsch synthesis, sometimes Fischer-Tropsch, is a large-scale coal liquefaction process. In this case, a heterogeneous catalytic conversion of synthesis gas, a carbon monoxide-hydrogen mixture, takes place in a wide range of gaseous and liquid hydrocarbons. The process offers the possibility of producing various types of coal and other carbon sources, liquid low-sulfur synthetic fuels, synthetic motor oils and hydrocarbons as a raw material base for the chemical industry. As a rule, a reactor suitable for the Fischer-Tropsch process thus has a feed for the coal or the synthesis gas, a steam outlet, a gas outlet, which preferably passes directly to a gas scrubber, a water jacket for cooling, a drive for a distributor as well as a rotary grate and an ash sluice.
In der Fischer-Tropsch-Synthese wird eine Vielzahl an Katalysatoren eingesetzt. Die am häufigsten verwendeten basieren auf dem Übergangsmetall Kobalt, Eisen, Nickel und Ruthenium. Als Träger finden poröse Metalloxide mit großen spezifischen Oberflächen wie Kieselgur, Aluminiumoxid, Zeolithe und Titandioxid Verwendung. Da es in dem vorliegenden Syntheseschritt nicht um die Erzeugung langkettiger Kohlenwasserstoffe oder Methanol geht, sondern besonderes Interesse auf den kurzkettigen Kohlenwasserstoffen liegt, kann mit weniger geeigneten bzw. vergifteten Katalysatoren gearbeitet werden, wie sie entstehen, wenn im Synthesegasgemisch ein zu hoher Kohlenstoffdioxidanteil von mehr als 3 Vol.-% vorliegt. In the Fischer-Tropsch synthesis, a variety of catalysts is used. The most commonly used are based on the transition metal cobalt, iron, nickel and ruthenium. As carrier find porous metal oxides with large specific surface areas such as kieselguhr, alumina, zeolites and titanium dioxide use. Since it is not in the present synthesis step to produce long-chain hydrocarbons or methanol, but is of particular interest on the short-chain hydrocarbons, can be used with less suitable or poisoned catalysts, as they occur when in the synthesis gas mixture too high a carbon dioxide content of more than 3 vol .-% is present.
Die im Reaktor zu erzeugenden Propan- und Butanmengen sind relativ gering, so dass nur weniger als 20% des von nach der Abtrennung des Kohlenstoffdioxids vom Biogas vorhandenen Kohlenstoffdioxids überhaupt aufgearbeitet werden müssten. Somit kann das Herstellungsverfahren beispielsweise auch bei höherer Auslastung so betrieben werden, dass in der gleichen verwendeten Anlage ein Überschuss an Flüssiggasen erzeugt wird, die dann eben nicht dem Methanvorrat zugeführt werden, sondern separat davon ausgeleitet, gespeichert oder weiterverwertet werden können. The amounts of propane and butane to be produced in the reactor are relatively low, so that only less than 20% of the carbon dioxide present in the biogas after the removal of the carbon dioxide would have to be worked up at all. Thus, the production process can be operated, for example, even at higher capacity so that in the same system used an excess of liquefied gases is generated, which are then not fed to the methane, but can be separately discharged, stored or reused.
Die Erfindung hat somit den weiteren Vorteil, das bei der Biogaserzeugung entstehende Abgas Kohlenstoffdioxid gleichzeitig weiter verwerten zu können, um den Ausstoß in die Atmosphäre zu vermeiden, und dieses dabei zu essentiell wichtigen Stoffen für die Brenngas-Herstellung weiterverarbeiten zu können. The invention thus has the further advantage of being able to simultaneously utilize the exhaust gas resulting from the biogas production in order to avoid the emission into the atmosphere, and to be able to further process it into essential substances for the production of fuel gas.
Systematische Untersuchungen der elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid sind noch ein relativ junges Entwicklungsfeld. Erst seit wenigen Jahren gibt es Bemühungen, ein elektrochemisches System zu entwickeln, das eine akzeptable Kohlenstoffdioxidmenge reduzieren kann. Forschungen im Labormaßstab haben gezeigt, dass zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid bevorzugt Metalle als Katalysatoren einzusetzen sind. Aus der Veröffentlichung
So würden beispielsweise an einer Silberkathode überwiegend Kohlenmonoxid und wenig Wasserstoff entstehen. Die Reaktionen an Anode und Kathode können mit folgenden Reaktionsgleichungen dargestellt werden:
Wie Tabelle 1 außerdem zu entnehmen ist, entstehen etwa an einer Kupferkathode, eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reaktionsprodukte. Von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist beispielsweise die elektrochemische Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid, Methan oder Ethylen, Ethanol oder Monoethylenglykol. Dabei handelt es sich um energetisch höherwertige Produkte als Kohlenstoffdioxid.
In der Tabelle sind Faraday Effizienzen [%] von Produkten angegeben, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyten und Stromdichten unterhalb von 10 mA/cm2. The table shows Faraday efficiencies [%] of products produced by carbon dioxide reduction on various metal electrodes. The values given apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as electrolyte and current densities below 10 mA / cm 2 .
Bevorzugt kommen also silberhaltige und/oder kupferhaltige Kathoden und/oder Katalysatoren im Elektrolysesystem zum Einsatz. Bevorzugt weist der Katholyt im ersten Schritt Wasser auf. Silver-containing and / or copper-containing cathodes and / or catalysts are therefore preferably used in the electrolysis system. The catholyte preferably has water in the first step.
In einer bevorzugten Variante des Herstellungsverfahrens wird der Reaktor in dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens so betrieben, dass das zweite Produktgasgemisch neben Propan und/oder Butan auch Ethan und/oder Pentan aufweist. Die gleichzeitige Erzeugung mehrerer unterschiedlicher höherer Homologe des Methans ist von Vorteil für eine möglichst genaue Anpassung der Brenngaszusammensetzung an das jeweils aktuell in das Erdgasnetz einspeisbare Brenngas beziehungsweise verbreitert die Zahl möglicher Katalysatoren. In a preferred variant of the production method, the reactor is operated in the second step of the method according to the invention so that the second product gas mixture in addition to propane and / or butane also has ethane and / or pentane. The simultaneous generation of several different higher homologs of methane is advantageous for the most accurate adaptation of the fuel gas composition to the currently in each case be fed into the natural gas network fuel gas or widened the number of possible catalysts.
In einer besonders vorteilhaften Variante des Herstellungsverfahrens werden in dem zweiten Schritt ein Überschuss des zweiten Produktgases erzeugt und dieser oder seine Bestandteile zur separaten Weiterverarbeitung aus dem Reaktor ausgeleitet und beispielsweise abgefüllt, um diese einer zusätzlichen Weiterverwertung zuzuführen. Dies hat den Vorteil, neben dem geringen Anteil an höheren Homologen, der für die Aufwertung des Methans zu einem einspeisbaren Brenngas notwendig ist, noch weitere Wertstoffe erzeugen zu können. Dies kann das Herstellungsverfahren und die dazu verwendete Anlage wirtschaftlicher machen und somit der CO2-Verwertung und Biomasseverwertung noch einen weiteren ökonomischen Aspekt hinzufügen. In a particularly advantageous variant of the production process, an excess of the second product gas is generated in the second step and this or its constituents are discharged from the reactor for separate further processing and bottled, for example, in order to supply them to additional recycling. This has the advantage, in addition to the low proportion of higher homologs, which is necessary for the upgrading of methane to a feedable fuel gas, to be able to produce even more recyclables. This can make the manufacturing process and the equipment used more economical and thus add another economic aspect to the CO 2 utilization and biomass utilization.
Die Erfindung umfasst auch eine Anlage zur Herstellung eines Brenngases, welche ein Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung aufweist. Dieses Elektrolysesystem umfasst einen Elektrolyseur mit einer Anode in einem Anodenraum, eine Kathode in einem Kathodenraum, wobei der Kathodenraum zumindest einen Zugang für Kohlenstoffdioxid aufweist und ausgestaltet ist, das zugegangene Kohlenstoffdioxid in Kontakt mit der Kathode zu bringen, wo dieses zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid reduziert wird, wobei die Anlage eine erste Gasleitung aufweist, die mit dem Elektrolyseur verbunden und ausgestaltet ist, ein erstes Produktgasgemisch aus dem Katholytkreislauf des Elektrolyseurs zu entnehmen und in einen Reaktor überzuleiten. Außerdem umfasst die Anlage einen Reaktor, welcher ausgestaltet ist, das erste Produktgasgemisch in ein zweites Produktgasgemisch umzusetzen und die Anlage umfasst ein Methanreservoir, das über eine zweite Gasleitung so mit dem Reaktor verbunden ist, dass das zweite Produktgasgemisch dem Methanreservoir zugeführt werden kann. Die so ausgestaltete Erfindung hat den Vorteil, dass Kohlenstoffdioxid elektrochemisch verwertet werden kann und in Wertstoffe übergeführt werden kann, die Methan in einem Methanreservoir zu einem Brenngas aufwerten. Das Methanreservoir kann dabei mit einem Bioreaktor verbunden werden, so dass es aus dem Bioreaktor mit Biomethan gespeist werden kann. Dies hat den Vorteil, dass neben der Kohlenstoffdioxidverwertung für die Brenngasherstellung Biomethan aus Biomasse gewonnen werden kann und zu Biobrenngas weiterverarbeitet werden kann. The invention also includes a plant for producing a fuel gas, which has an electrolysis system for carbon dioxide utilization. This electrolysis system comprises an electrolyzer having an anode in an anode compartment, a cathode in a cathode compartment, wherein the cathode compartment has at least one access for carbon dioxide and is configured to bring the incoming carbon dioxide into contact with the cathode where it is at least partially reduced to carbon monoxide wherein the system comprises a first gas line, which is connected to the electrolyzer and configured to remove a first product gas mixture from the catholyte circuit of the electrolyzer and transfer it to a reactor. In addition, the plant comprises a reactor which is designed to convert the first product gas mixture into a second product gas mixture and the plant comprises a methane reservoir, which is connected to the reactor via a second gas line so that the second product gas mixture can be supplied to the methane reservoir. The invention thus embodied has the advantage that carbon dioxide can be utilized electrochemically and can be converted into valuable substances which upgrade methane in a methane reservoir to a fuel gas. The methane reservoir can be connected to a bioreactor so that it can be fed from the bioreactor with biomethane. This has the advantage that in addition to the carbon dioxide utilization for the production of fuel gas biomethane can be obtained from biomass and can be further processed to Biobrenngas.
Alternativ oder zusätzlich kann das Methanreservoir mit einem Synthesereaktor verbunden sein, so dass es aus dem Synthesereaktor mit synthetisch erzeugtem Methan gespeist werden kann. Dies hat den Vorteil, auch synthetisch erzeugtes Methan über das vorteilhafte erfindungsgemäße Brenngasherstellungsverfahren mit dem Kohlenstoffdioxidverwertungs- und Erzeugungsschritt für gasförmige kurzkettige Kohlenwasserstoffe kombinieren zu können. Alternatively or additionally, the methane reservoir can be connected to a synthesis reactor so that it can be fed from the synthesis reactor with synthetically produced methane. This has the advantage of being able to also combine synthetically produced methane with the advantageous fuel gas production process according to the invention with the carbon dioxide utilization and production step for gaseous short-chain hydrocarbons.
In der Anlage zur Herstellung eines Brenngases wird als Reaktor bevorzugt ein Fischer-Tropsch-Reaktor eingesetzt. In the plant for producing a fuel gas, a Fischer-Tropsch reactor is preferably used as the reactor.
Die beschriebene Anlage kann durch einen oder mehrere zusätzliche Reaktoren so abgewandelt werden, dass außer dem Brenngas für die Einspeisung ins Erdgasnetz oder alternativ dazu weitere Produkte erzeugt werden können. The system described can be modified by one or more additional reactors so that, in addition to the fuel gas for feeding into the natural gas network or alternatively other products can be produced.
Die bisher einfachste Möglichkeit, Biogas zu nutzen, ist dessen direkte Verstromung über einen Verbrennungsmotor und Generator. Höhere Gewinne wurden bisher erzielt, indem es zwischengespeichert wurde und erst zu Zeiten hoher Strompreise eine Wiederverstromung stattfand. Die Nutzung im Erdgasnetz ist die eigentlich sinnvollste Möglichkeit, denn dadurch werden fossile Ressourcen geschont. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und der beschriebenen Anlage für die Brenngasherstellung kann nun auf die Zudosierung von bisher fossilem Propan und Butan verzichtet werden und in einem kompakten Verfahren, das vollständig auf erneuerbaren Energien beruhen kann, können Einspeisebedingungen für das Brenngas gewährleistet werden. The simplest way to use biogas to date is its direct power generation via an internal combustion engine and generator. Higher profits have so far been achieved by being cached and only at times of high electricity prices a re-conversion took place. The use in the natural gas network is actually the most sensible option, because it protects fossil resources. With the production method according to the invention and the described plant for the production of fuel gas can now be dispensed with the addition of previously fossil propane and butane and in a compact process that can be based entirely on renewable energies feed conditions for the fuel gas can be guaranteed.
Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die
Links oben in der
Das Elektrolysesystem
Beide Kreisläufe AK, KK sind jeweils wenigstens mit einer Pumpe P, möglicherweise aber auch mehreren Pumpen P im Verlauf ausgestattet, welche einen kontinuierlichen Elektrolytfluss durch die Elektrolysekammern AR, KR gewährleisten. Außerdem werden durch das Umpumpen des Elektrolyts neue Elektrolyse-Edukte an die Elektroden A, K herangeführt und Elektrolyseprodukte aus dem Elektrolyseur ausgeleitet. Im Katholytkreislauf KK ist außerdem ein Edukteinlass EE und bevorzugt ein Eduktreservoir ER vorgesehen, über welche das Kohlenstoffdioxid CO2 in den Elektrolyten eindosiert werden kann. Die Elektrolyseprodukte und -nebenprodukte können den Kreisläufen AK, KK entnommen werden. Dazu sind beispielsweise Gasabscheidebecken GA in beiden Kreisläufen AK, KK vorgesehen. Im Anolytkreislauf AK wird über einen Produktauslass NPA ein Nebenprodukt entnommen, welches beispielsweise Sauerstoffgas O2 oder Chlorgas Cl2 sein kann, je nach dem welcher Elektrolyt und welches Anodenmaterial zum Einsatz kommt. Aus dem Katholyten wird über den Produktauslass PA bevorzugt ein Produktgemisch entnommen, welches Kohlenstoffmonoxid CO, Wasserstoffgas H2, und beispielsweise auch einen geringen Restanteil unverwertetem Kohlenstoffdioxid CO2 enthält. Dieses Produktgasgemisch aus dem Katalytkreislauf KK wird dann, über einen Folgepfeil verdeutlicht, einem Fischer-Tropsch-Reaktor
Der Fischer-Tropsch-Reaktor
Noch effizienter ist die Umsetzung von Kohlenstoffmonoxid CO mit Wasserstoff H2, da hierbei weniger Energie in die Bildung von Wasser gesteckt wird. Even more efficient is the conversion of carbon monoxide CO with hydrogen H 2 , as less energy is involved in the formation of water.
Dementsprechend ist es auch für diese Weiterverarbeitung des erzeugten Produktgasgemisches in der Elektrolyseanlage
Das im Fischer-Tropsch-Reaktor
Das Produktgas aus dem Fischer-Tropsch-Reaktor
In Bioreaktoren von Biogasanlagen
Gerade im Vergleich mit den Kennwerten für momentan typischerweise verwendetes Erdgas des Typs H wird auch deutlich, dass dem Biogas zunächst für den Brennwert notwendige höhere homologe Gase wie Ethan, Propan oder Butan fehlen, siehe Tabelle.
Da wie bereits erwähnt nur relativ geringe Mengen Ethan, Propan und Butan notwendig sind, ist es auch denkbar, bei der Aminwäsche einen Teil des vom Methangas CH4 abgetrennten Kohlenstoffdioxids CO2 zusammen mit dem Wasser und dem Schwefelwasserstoff H2S abzufüllen. Since, as already mentioned, only relatively small amounts of ethane, propane and butane are necessary, it is also conceivable to fill in the amine scrubbing part of the carbon dioxide CO 2 separated from the methane gas CH 4 together with the water and the hydrogen sulphide H 2 S.
In der
Aus einem Gasreservoir GR hinter der porösen Kathode K drängt unter erhöhtem Druck das Kohlenstoffdioxid CO2 in den Katholyten im Kathodenraum KR hinein. Mit Pfeilen ist die Strömungsrichtung des Katholyten im Kathodenraum KR angezeigt. Das Kohlenstoffdioxid CO2 wird über einen Kohlenstoffdioxideinlass CO2–E in die Gasdiffusionselektrode GDE eingeführt. Ein Labordemonstrator arbeitet bevorzugt in einem Druckbereich von 2 bar. Das Kohlenstoffdioxid CO2 wird z.B. nach einer Druckwechselabsorption in den Elektrolyseur
From a gas reservoir GR behind the porous cathode K, the carbon dioxide CO 2 pushes into the catholyte in the cathode space KR under elevated pressure. Arrows indicate the flow direction of the catholyte in the cathode space KR. The carbon dioxide CO 2 is introduced into the gas diffusion electrode GDE via a carbon dioxide inlet CO 2 -E. A laboratory monitor preferably works in a pressure range of 2 bar. The carbon dioxide CO 2 is eg after a pressure swing absorption in the electrolyzer
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes von Y. Hori, veröffentlicht in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89–189 [0027] Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes by Y. Hori, published in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189 [0027]
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