DE102018004657A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Methan, LNG und Nährstoffen aus organischer Substanz wie Klärschlamm, Biomasse oder Kunststoffen durch Hydrierung mittels elektrochemisch erzeugtem Wasserstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Methan aus organischen Substanzen wie Klärschlamm, Biomasse oder Kunststoffen durch Hydrierung und Methanisierung bei gleichzeitiger Erzeugung des dazu nötigen Wasserstoffs durch Elektrolyse. Die Elektrolyse wird durch Brennstoffzellen bei gleichen oder vergleichbaren Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt. Die Anlage dient zur Erzeugung von Methan als Basischemikalie oder Energieträger, LNG und anorganischen Nährstoffen. Sie ist geeignet zur intermittierenden Aufnahme überschüssiger elektrischer Energie im Sinne der Sektorkopplung Stromerzeugung - Energieträger - Chemische Grundstofferzeugung.

Description

• Die Energiewende hin zu regenerativen Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser ermöglicht eine sehr preiswerte Herstellung elektrischer Energie. Aufgrund des intermittierenden Charakters dieser Energiequellen entsteht jedoch ein großer Speicherbedarf, um die schwankende Erzeugung an den Verbrauch anzupassen. Für die notwendige Langzeitspeicherung erscheint die Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssiger elektrischer Energie attraktiv. Dazu wurden bereits bidirektionale Systeme der reversiblen Elektrolyse (RSOC) entwickelt, die statt einer Kombination aus einem Elektrolyseur (Hinreaktion) und einer Brennstoffzelle (Rückreaktion) bidirektional wirkende Hochtemperaturzellen aus keramischen Oxiden (SOFC) verwenden (Lit. 1).
• Da die Speicherung von Wasserstoff immer noch problematisch ist, wird die Erzeugung von Methan aus Wasserstoff als geeignetes alternatives Speichermedium angesehen. Methan kann in den bestehenden Erdgasnetzen oder verflüssigt als LNG in sehr großer Menge problemlos gespeichert werden. Methan kann an beliebigen Stellen oder auch mobil energetisch oder stofflich genutzt werden oder in elektrische Energie zurückverwandelt werden. Weiterhin kann so ein regenerativ erzeugter Grundstoff der chemischen Industrie bereitgestellt werden.
• Problematisch ist in diesem Szenario die C-Quelle für die Erzeugung des Methans. Prinzipiell eignen sich alle C-Quellen, die höher oxidiert sind als Methan, beispielsweise CO₂ oder Biomasse. CO₂ ist geeignet, wenn es lokal in hoher Menge zur Verfügung steht. Ist dies nicht der Fall, kann es aus der Atmosphäre gebunden werden, was angesichts der geringen Konzentration jedoch sehr aufwendig und teuer ist.
• Vorteilhaft wäre ein Verfahren, das jegliche C-Quelle mittels elektrochemisch erzeugtem Wasserstoff zu Methan umwandeln kann. In diesem Fall könnte eine breite Palette preiswerter hochvolumiger Stoffströme eingesetzt werden, wie Klärschlamm, organische Rest- und Abfallstoffe, Biomasse, Kunststoffe.
• Bislang wurden entsprechende Biomassequalitäten meist durch das Verfahren der Pyrolyse in gasförmige Bestandteile umgesetzt. Bei der Pyrolyse entsteht ein Stoffgemisch, das zu Synthesegas (CO + H₂) aufbereitet werden kann (Lit. 1). Dies kann dann mit elektrochemisch erzeugten Wasserstoff zu Methan umgesetzt werden. Die Pyrolyse besitzt jedoch Problemstellungen, die trotz hohem Forschungsaufwand bisher nicht verlässlich und kosteneffizient gelöst werden konnten, insbesondere die problematische Entstehung von technisch kaum zu handhabende Zwischenprodukten wie Teere und Teeröle.
• Weiterhin sind Verfahren der Hydrierung organischer Substanzen wie Kohle durch Zugabe von Wasserstoff bei Temperaturen von 800° C und Drücken von über 100 bar mit Methan als Endprodukt bekannt (Lit. 2). Dieses Vorgehen besitzt den Nachteil, dass sowohl die Hydrierung als auch die zur Erzeugung notwendige Elektrolyse aufwendige Verfahren sind.
• Das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren beseitigt diese Problemstellungen und erhöht die Effizienz der Methanherstellung im Vergleich zum beschriebenen Stand der Technik stark und ermöglicht eine vereinfachte Verfahrensführung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus einem integrierten Prozess aus Hydrovergasung/Methanisierung und Elektrolytischer H₂-Herstellung unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur.
• Es nutzt den erstaunlichen Befund, dass die notwendige elektrochemische Zersetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff unter vergleichbaren Bedingungen bezüglich Druck und Temperatur ablaufen kann wie die Hydrierung und Methanisierung von Biomasse und anderen C-Quellen.
• Das Erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Wasserstoffs im gleichen Druckraum und in räumlicher Nähe zum Hydrierreaktor stattfindet, vorzugsweise in einem kombinierten Elektrolyse-Hydrierreaktor.
• Kurze Beschreibung der Erfindung
• Das Verfahren kombiniert erfindungsgemäß eine SOFC-Einheit zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff mit einer Hydriereinheit zur Hydrierung von Biomasse zu Methan unter gemeinsamen Betriebsbedingungen mit einem vorzugsweisen Betriebsdruck von 100 bar und einem vorzugsweisen Temperaturbereich von 800 - 900° C - in einem gemeinsamen Bereich, der Hochtemperatur-Druckeinheit.
• Im Reaktor oder Reaktorverbund finden folgende Teilreaktionen statt:
• SOFC-Einheit:
  • In der SOFC-Einheit wird Wasser mittels elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff wird der Hydrierung bereitgestellt.
  2 H₂O → 2 H2 + O₂
• Hydrier- und Methanisiereinheit:
  • In der Hydrier- und Methanisiereinheit wird Biomasse unter Aufnahme von Wasserstoff zu Methan umgesetzt, wobei Wasser frei wird. Zur formelhaften Darstellung der einzusetzenden Biomasse wird angenähert (HCOH)_n verwendet. (HCOH)_n + (2 H₂)_n → (CH₄)_n + (H₂O)
• Bilanziell ergibt sich folgende Gesamtreaktion: (HCOH)_n + (H₂O)_n → (CH₄)_n + (O₂)_n
• Die zu verarbeitende Biomasse wird über eine Einführeinheit/Druckpumpe [ 12, 50] in den Reaktionsraum gefördert. Die Einführeinheit hat die Aufgabe, die vorbehandelte (Mischung, Zerkleinerung) Biomasse quasikontinuierlich in den Hydrier/Methaniser-Reaktor in der Hochtemperatur-Druckeinheit zu fördern. Dazu können beispielsweise Drehschieberpumpen eingesetzt werden. Im Reaktor wird die Biomasse unter Anwesenheit von Wasserstoff zersetzt und reduziert. Dabei werden Gase freigesetzt, die in einer Methanisiereinheit weiter mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt werden. Aschebestandteile werde im unter Bereich des Reaktors aufgefangen, ausgeschleust und der weiteren Behandlung zugeführt (6 - 12).
• Die erfindungsgemäße integrierte Wasserstofferzeugung und Hydrierung in einer gemeinsamen Hochtemperatur-Druckeinheit auf gleichem oder ähnlichem Temperaturniveau hat große Vorteile, da alle in der Druckeinheit befindlichen Komponenten einheitlich auf den anzuwendenden Temperatur- und Druckbereich (800-900° C / 100 bar) und das zugehörige Hochfahrregime ausgelegt werden können und eine Vielzahl von ansonsten notwendigen Druckschleusen und Wärmetauschern vermieden werden können.
• Bevorzugte Varianten der Erfindung
• Folgende grundsätzlichen Varianten sind bevorzugt:
1. 1. Hydrierung und Methanisierung in getrennten Reaktionsräumen in einer Hochtemperatur-Druckeinheit
2. 2. Integriertes Verfahren mit Hydrierung und Methanisierung in einem Reaktionsraum.
• Bezüglich der Auslegung der SOFC-Einheit sind folgende Varianten bevorzugt:
1. 1. SOFC Einheit liefert Wasserstoff auf gleichem Druckniveau an die Hydrierung und Methanisierung
2. 2. SOFC Einheit ist in Hydrierung und / oder Methanisiereinheit integriert, der nickelhaltige Anodenträger kann vorteilhafterweise als Hydrierkatalysator genutzt werden (5).
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betrieb betrieben werden:
1. 1. Im kontinuierlichen Betrieb wird die zu bearbeitende organische Substanz kontinuierlich durch eine Druckförderung (Drehschieberpumpe) in den Reaktor gefördert.
2. 2. Im diskontinuierlichen Betrieb ist die Hochtemperatur-Druckeinheit öffen- und verschließbar ausgelegt (11). Die zu verarbeitende organische Substanz wird in das Topfteil der Druckeinheit eingebracht. Die Reaktions-Einheiten wie SOFC und Hydrierkatalysator befinden sich im Deckelteil. Beide Einheiten werden zur Reaktion geschlossen und mit Druck und Temperatur beaufschlagt.
3. 3.  
• Das System kann der Sektorkopplung von Energiewirtschaft und Bio-Ökonomie auf neuartige Weise dienen. Dazu ist es auf ein intermittierendes Stromangebot ausgelegt mit den Betriebszuständen Voll-/Teillastbetrieb, Schwachlastbetrieb und Rückwärtsbetrieb:
1. 1. Voll-/Teillastbetrieb: Im Volllastbetrieb wird die maximal mögliche Strommenge aufgenommen, um die organische Substanz mittels erzeugtem Wasserstoff zu Methan umzusetzen. Die Durchsatzmenge und somit die Strommenge kann dabei in weiten Grenzen variiert werden, um eine schnelle und kontinuierliche Anpassung an das Stromangebot zu ermöglichen (Teillastbetrieb).
2. 2. Schwachlastbetrieb: Für den Fall von Bedarfsspitzen im Stromnetzt kann innerhalb weniger Sekunden in den Schwachlastbetrieb umgeschaltet werden (Lastabwurf). In diesem Betriebszustand werden keine organischen Feststoffe in den Reaktor gefördert, sondern nur die Gärgase des/der Klärschlammsammeltanks oder einer angeschlossenen Biogasanlage methanisiert. Somit kann die Leistung der SOFC-Einheit auf einen Bruchteil der Stromaufnahme heruntergefahren werden, ohne dass die Gesamtanlage bezüglich Druck und Temperatur heruntergefahren oder abgeschaltet werden muss. Auch die Folgeaggregate wie die Reinigungskomponenten und die Methanverflüssigung gehen in den Schwachlastbetrieb. Dieser Betriebszustand kann über längere Zeit (Tage/Wochen) beibehalten werden, um wetterbedingte Fluktuationen in der Stromerzeugung auszugleichen. Die Pufferkomponenten Inputlagerung und Methantank werden dazu bedarfsgerecht ausgelegt.
3. 3. Rückwärtsbetrieb: Prinzipiell kann das System auch im Rückwärtsbetrieb betrieben werden, um im Bedarfsfall aus erzeugtem und zwischengepuffertem Methan elektrische Energie zu erzeugen.
• Insgesamt kann die Anlage somit zur Sektorkopplung mit dem Strommarkt verwendet werden und sowohl im kurzfristigen als auch im langfristigen Zeitfenster für die Pufferung elektrischer Energie eingesetzt werden. Das erzeugte Methan kann sowohl zur Energieversorgung als auch als Grundchemikalie der organischen Chemie zum Einsatz kommen.
• Figurenliste
• Die Erfindung ist in zwölf Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 Reaktionen im Druckreaktor: links Hydrierung/Methanisierung, rechts Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse
• 2 Wabenförmiger Hydrier-/Methanisier-Reaktor als bevorzugte Bauform der Hydrierung/Methanisierung
• 3 Reaktionen am Hydrier-/Methanisier-Reaktor
• 4 Reaktionen an der Brennstoffzelle, dargestellt als faserförmige SOFC-Zelle mit außenliegender Anode
• 5 Erfindungsgemäßer Kombinationsreaktor aus plattenförmigen anodengestützten SOFC-Komponenten mit katalytisch hydrierenden nickelhaltigen Oberflächen
• 6 Bauform der Druckeinheit mit Hydrierreaktor, Methanisator und Elektrolyse-Einheit
• 7 Druckeinheit bestehend aus drei miteinander verbundenen Kompartimenten, die den Hydrierreaktor, Methanisator und die Elektrolyse-Einheit beinhalten.
• 8 Druckeinheit mit einem kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktor und H₂-produzierenden SOFC-Elementen
• 9 Druckeinheit bestehend aus zwei miteinander verbundenen Kompartimenten, die einen kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktor und eine Elektrolyseeinheit enthalten
• 10 Druckeinheit, die den erfindungsgemäßen Kombinationsreaktor aus plattenförmigen anodengestützten SOFC-Komponenten mit katalytisch hydrierenden nickelhaltigen Oberflächen enthält.
• 11 Batch-Druckeinheit besteht aus einem Topfteil mit Vorratsbehälter, der die zu hydrierende organische Masse enthält und ein Deckelteil, das die Reaktionselemente enthält.
• 12 Schemadarstellung der Gesamtanlage zur Erzeugung von Methan, LNG und anorganischen Nährstoffen aus organischer Masse.
• Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Reaktionen im Druckreaktor [3]. Die zugeführte organische Masse (vereinfachend dargestellt als (HCOH)_n wird in der links dargestellten Hydrierung unter Druck und Wärme mittels Wasserstoff reduzierend zersetzt und die Reaktionsprodukte (Gase) mittels weiterem Wasserstoff im Methanisator zu Methan umgesetzt [1]. Rechts ist die Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse dargestellt [2]. Dabei werden vorzugsweise SOFC-Einheiten eingesetzt, die Wasserdampf im gleichen Druck- und Temperaturbereich mittels elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff umsetzen. Der Wasserstoff wird dabei nach Diffusion der Protonen direkt in den Reaktor abgegeben, der Sauerstoff wird abgeführt. Als Hauptreaktionsprodukt entsteht wasserdampfhaltiges Methan, das den Reaktor über eine Schleuse verlässt.
• Für die Reaktionen der 1 werden in 2, 3 und 4 entsprechende Detailauslegungen dargestellt. 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen wabenförmiger Hydrier-/Methanisier-Reaktor als bevorzugte Bauform der Hydrierung/Methanisierung [4]. Das Wabenmaterial enthält Hydrierkatalysatoren, bevorzugt nickelhaltige Hydrierkatalysatoren. In Abhängigkeit vom Einsatzmaterial, Wassergehalt, Ascheanteil und den Zuschlagstoffen kann jedoch auch jede andere geeignete Bauform gewählt werden.
• 3 zeigt eine grobe schematische Darstellungen der Reaktionen am Hydrier-/Methanisier-Reaktor [5]. Die über die Druckschleuse in den Hydrier-Methanisierreaktor geförderte organische Substanz (HCOH)_n wird unter Zugabe von H₂ zu Methan und Wasser zersetzt. Der Reaktor kann als Flugstrom- oder Wabenreaktor ausgebildet werden, dessen Wandungen einen vorzugsweise nickelhaltigen Hydrierkatalysator enthält [6].
• 4 zeigt schematisch die Reaktionen an der Brennstoffzelle, welche in der Figur bespielhaft als faserförmige SOFC-Zelle mit außenliegender Anode dargestellt ist [7]. Auch plattenförmige SOFC-Zellen sind geeignet. Wasserdampf wird dem Reaktor auf der innenliegenden [10] Kathodenseite [9] zugeführt und mittels elektrischer Energie [8] zu Sauerstoff und Protonen zersetzt, welche durch die Elektrolytschicht [11] zur Anode [12] diffundieren und dort zu Wasserstoff umgesetzt werden, welcher in den äußeren Reaktionsraum austritt und zum Hydrier-/Methanisierreaktor geleitet wird.
• 5 zeigt die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kombinationsreaktors in der Aufsicht. Der Kombinationsreaktor führt die Elektrolysereaktion und die Hydrierung/Methanisierung ein einem Reaktionsraum aus. Er besteht aus einer Kombination von plattenförmigen anodengestützten SOFC-Zellen. Die nickelhaltigen Anode [15] besitzt eine Stützfunktion und ist weiterhin als Katalysator zur Unterstützung der Hydrierung/Methanisierung ausgelegt. Vorteilhaft ist beispielsweise ein Wabenförmiger Aufbau. In diesem Aufbau werden die Platten vorzugsweise durch in Dreieckform ausgeführt Haltevorrichtungen [12] fixiert. Die Platten sind jeweils mit der Kathodenseite [13] der SOFC-Zellen zweier benachbarter Waben einander zugeordnet, wodurch ein Innenraum [17] zur Zufuhr des Wasserdampfes und der Abfuhr des gebildeten Sauerstoffs entsteht. Diese Zu- und Abfuhr wird vorzugsweise über die hohlen Innenräume der Haltevorrichtungen [12] dargestellt, welche auch den elektrischen Anschluss der Elektroden beinhalten. Der gebildete Wasserstoff tritt jeweils an den außenliegenden Anoden [15] in die Wabeninnenräume [16] ein und dient dort direkt der Hydrierung und Methanisierung. Eine Auslegung des Kombinationsreaktors ist in 10 dargestellt.
• 6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bauform der Hochtemperatur-Druckeinheit [18] mit Hydrierreaktor [22], Methanisator [20] und Elektrolyse-Einheit [19]. Die zu verarbeitende organische Substanz wird in den Hydrierreaktor gefördert [26]. Aus der Elektrolyse-Einheit wird im stöchiometrisch richtigen Verhältnis Wasserstoff zugeleitet. Im Hydrierreaktor findet die Vergasung der organischen Substanz unter Reduktion durch Wasserstoff statt. Die entstandene Asche sowie weitere Fest- oder Zuschlagstoffe werden im unteren Bereich ausgeschleust [27]. Die entstandenen Gase werden zum Methanisator geleitet [25]. Von der Elektrolyse-Einheit wird zudem Wasserstoff im zur Methanisierung notwendigen stöchiometrischen Verhältnis geleitet [23]. Das gebildete Methan verlässt den Methanisator zur weiteren Behandlung [21]. In dieser Bauform sind die auf gleicher Druckstufe arbeitenden Aggregate in einer gemeinsamen Druckeinheit untergebraucht. Das Thermomanagement und die Abfuhr der Wärme kann an den einzelnen Aggregaten erfolgen oder von außen an der Druckeinheit.
• Die in 7 schematisch dargestellt Druckeinheit [29] besteht aus drei miteinander verbundenen Kompartimenten, die jeweils den Hydrierreaktor [22], Methanisator [20] und die Elektrolyse-Einheit [19] beinhalten. Die Verbindung erfolgt in dieser Auslegung vorzugsweise durch Druckrohre auf gleicher Druckstufe [30]. Auf diese Weise können die Aggregate einfacher mit unterschiedlichem Temperaturniveau betrieben werden. Die für die einzelnen Aggregate unterschiedlichen Wärmebedarfe können so besser bereitgestellt werden und unterschiedlich hohe gebildete Wärmemengen können einfacher und kontrollierter abgeführt werden.
• 8 zeigt eine schematische Darstellung der Druckeinheit bestehend aus zwei miteinander verbundenen Kompartimenten [31], die einen kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktor und eine Elektrolyseeinheit enthalten. Vorteilhaft ist hier ein kontinuierlicher Übergang der Hydrierung in die Methanisierung in einem Reaktionsraum, in den kontinuierlich Wasserstoff im stöchiometrisch richtigen Verhältnis eingebracht wird. Der kombinierte Hydrier- und Methanisier-Reaktor kann ebenfalls vollständig oder in einzelnen Zonen in Art eines Wabenreaktors It. 2 und 3 aufgebaut sein. Der kombinierte Hydrier- und Methanisier-Reaktor kann weiterhin zusammen mit der Elektrolyseeinheit einem gemeinsamen Kompartiment untergebracht sein.
• 9 zeigt ein schematische Darstellung der Druckeinheit [36] mit einem kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktor [35] und H₂-produzierenden SOFC-Elementen [34]. Der kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktor ist in dieser Bauform perforiert ausgeführt, sodass Gase turbulent heraus- und hineintreten können. Der erzeugte Wasserstoff wird in den Druckraum abgegeben und kann dort und im Hydrier- und Methanisier-Reaktor reagieren, aus dem das Endprodukt Methan abgezogen wird.
• 10 zeigt eine schematische Darstellung der Druckeinheit [37], die den erfindungsgemäßen Kombinationsreaktor [38] aus plattenförmigen anodengestützten SOFC-Komponenten mit katalytisch hydrierenden nickelhaltigen Oberflächen laut 5 enthält. Der Wasserstoff wird hier direkt im kombinierten Hydrier-/Methanisierreaktor erzeugt. Die Druckeinheit und der erfindungsgemäße Kombinationsreaktor können auch als ein Bauteil mit entsprechender Druckverstärkung ausgeführt werden. Auch andere Anordnungen der SOFC-Einheiten im Reaktionsraum sind erfindungsgemäß, auch in Ausführungen im mini-, mikro- oder nano-Maßstab mit beliebigen Fertigungsverfahren, auch additiven Verfahren aus Metallen und/oder Keramiken mit der Herstellung in einem oder wenigen Schritten oder Bauteilen.
• 11 zeigt die schematische Darstellung einer Batch-Druckeinheit besteht aus einem Topfteil [39] mit Vorratsbehälter [43], der die zu hydrierende organische Masse enthält und ein Deckelteil [42], das die Reaktionselemente enthält, wie die Elektrolysiereinheiten [40] und die katalytisch aktive Hydrier- und Methanisiereinheit [44]. Topf und Deckelteil werden zur Durchführung der Batch-Reaktion aufeinandergesetzt und druckdicht verbunden. Die Batch-Ausführung ist günstig für kleinere Chargengrößen und intermittierenden Betrieb.
• 12 zeigt die Schemadarstellung der Gesamtanlage zur Erzeugung von Methan, LNG und anorganischen Nährstoffen aus organischer Masse. Die zu verarbeitenden organische Substanz wird in einem segmentierter Vorratsbehälter [45] zwischengepuffert. Der Vorratsbehälter kann unterschiedliche organische Materialien aufnehmen. Es können sowohl trockene (Holz, Biomasse, Kunststoffe) als auch feuchte Substanzen (Klärschlamm) verarbeitet werden. Die Segmente des Vorratsbehälters sind in Abhängigkeit von den zu verarbeitenden Materialien auszulegen. Weiterhin sollte darauf geachtet werden, dass die Segmente groß genug ausgelegt sind, um einen intermittierenden Betrieb mit langen Schwachlastphasen zu gewährleisten. Die Auslegung kann dann im Sinne der Sektorkopplung nach Vorgaben aus dem Stromnetz erfolgen.
• Die Segmente für feuchte organische Substanz wie Klärschlamm [46] sind gekapselt, sodass die entstehenden Gärgase (CH₄/CO₂) abgefangen und der Anlage zugeführt werden können [47]. In Schwachlastbetrieb kann die Anlage so gefahren werden, dass sie lediglich diese Gärgase zu Methan umformt. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage selbst dann, wenn preislich attraktive elektrische Energie nicht zur Verfügung steht (z.B. während einer „Dunkelflaute“ in regenerativen Erzeugungsszenarien).
• Die zu verarbeitende organische Substanz wird einer Konditionierung unterworfen, die ein einheitliches Einsatzmaterial erzeugt [48]. In der Konditionierung findet je nach Material z.B. eine Zerkleinerung statt. Die aufbereiteten Materialien werden danach gemischt und ggf. mit Zuschlagstoffen/Conditioners versehen (z.B. zur Unterstützung der Hydrierung oder Verhinderung einer Ascheschmelze) [48] und der Druckpumpe [50] zugeführt [49]. Die Druckpumpe (z.B. eine Drehschieberpumpe) bringt das Einsatzmaterial in den Reaktor ein. Der erfindungsgemäße Reaktor (Hydrier-/Methanisierreaktor/Elektrolysiereinheit) [51] ist in den 1-10 detailliert beschrieben. Die erzeugten wasserdampfhaltigen Heißgase verlassen den Reaktor und werden in die Heißgasreinigung [53] geführt. Nach der Heißgasreinigung erfolgt die Kondensation des Wasserdampfes in der Kondensationseinheit [54]. Das trockene Methan wird dann ggf. nach weiterer Aufreinigung in einem Methantank [55] gelagert.
• Je nach Auslegung und/oder Betriebszustand wird das Endprodukt Methan [59] vermarket oder der Methanverflüssigung [57] zugeführt, um das Endprodukt LNG [58] zu erzeugen. Die im Reaktor und den nachgelagerten Stufen bis zur Kondensation freigesetzte Wärme kann durch eine Kälteabsorptionsanlage in der Methan-Verflüssigung genutzt werden. Das bei der Lagerung des Endproduktes LNG verdampfende Boil-Off-Methangas wird in einer Rückführung [56] wieder dem Methantank zugeführt.
• Maßgebliche Abprodukte entstehen im Reaktor (Asche), der Heißgasreinigung (reduzierte Gase wie HF und NH₃) und der Kondensation (Abwasser). Die Asche enthält wertvolle Nährstoffe, welche nach Aufarbeitung und Nährstoff-Abtrennung [62] zu Düngemitteln (P, K, Mg, Ca) verarbeitet werden. Aus den in der Heißgasreinigung abgereinigten Bestandteilen kann NH₃ abgetrennt werden [61], welcher in der Folge zu Stickstoff-Düngemitteln verarbeitet wird. Das Kondensat der Kondensationsstufe wird zur Abwasserbehandlung / Kläranlage [60] geführt. Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht somit die Wiedergewinnung und Verwertung der in der eingesetzten organischen Substanz enthaltenen Nähr- und Wertstoffe.
• Literatur:
1. (1) Sunfire: https://www.solarify.eu/2016/02/29/282-sunfire-mitweltgroesster-rsoc-elektrolyse/
2. (2) Carl-Jochen Winter, Joachim Nitsch (1988): Hydrogen as an Energy Carrier: Technologies, Systems, Economy, Springer, S. 72.
• Bezugszeichenliste

1.

Hydrierreaktor mit (poröser) Keramik/Katalysator-Wandung

2.

Hochtemperatur-Elektrolyseur (SOFC)

3.

Hochtemperatur-Druckeinheit

4.

Wabenförmige Auslegung des Hydrierreaktors (Aufsicht)

5.

Ausschnitt einer Wabe des Wabenförmigen Hydrierreaktors

6.

(poröse) Keramik/Katalysator-Wandung

7.

SOFC-Zelle in röhrenförmiger Auslegung

8.

Stromzuleitung zur Anode

9.

Stromzuleitung zur Kathode

10.

Kathodenraum

11.

a Kathode, b Elektrolyt, c Anode

12.

Halteelement der SOFC-Zellen mit Stromzuleitungen zu den Anoden und Kathoden sowie Wasserdampfzufuhr und Sauerstoffableitung mittels Verbindungen zum Kathodenraum

13.

Kathode

14.

Elektrolyt

15.

Anode mit Anodenstütze

16.

Hydrierreaktor, Methanisierreaktor oder integrierter Hydrier-/Methanisierreaktor mit anliegenden Anodenstützen

17.

Kathodenraum

18.

Hochtemperatur-Druckeinheit

19.

Elektrolysiereinheit vorzugsweise bestehend aus SOFC-Stacks

20.

Methanisator

21.

Methanableitung

22.

Hydrierreaktor

23.

Wasserstoffzuleitung zum Methanisator

24.

Wasserstoffzuleitung zum Hydrierreaktor

25.

Reaktionsgasleitung vom Hydrierreaktor zum Methanisator

26.

Zufuhr der organischen Substanz

27.

Abfuhr von Asche, Reaktionsprodukten und Zuschlagstoffen

28.

Stromzufuhr

29.

Kompartimentierte Druckeinheit mit drei Kompartimenten

30.

Kompartimentverbindung mittels Druckrohren

31.

Kompartimentierte Druckeinheit mit zwei Kompartimenten

32.

Kombinierter Hydrier- und Methanisier-Reaktor

33.

Wasserstoffzuleitung zum Kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktor

34.

Elektrolysiereinheiten mit Abgabe des Wasserstoffs in den Druckraum

35.

Kombinierter Hydrier- und Methanisier-Reaktor mit Perforation zum Druckraum, durch die Gasaustausch stattfinden kann

36.

Druckeinheit zur Aufnahme des kombinierten Hydrier- und Methanisier-Reaktors und von Elektrolysiereinheiten

37.

Druckeinheit zur Aufnahme des kombinierten Elektrolysier-, Hydrier- und Methanisier-Reaktors

38.

Kombinierter Elektrolysier-, Hydrier- und Methanisier-Reaktor

39.

Topfteil

40.

Am Deckelteil befestigte Elektrolysiereinheiten

41.

Druckdichte Schließfunktion zwischen Topf- und Deckelteil

42.

Deckelteil

43.

Vorratsbehälter für die organische Substanz, einstellbar oder fest installiert

44.

Hydrier-/Methanisiereinheit

45.

Segmentierter Vorratsbehälter

46.

Gärgasfassung für Vorratssegmente mit feuchter organischer Substanz wie Klärschlamm

47.

Gärgaszuleitung

48.

Konditionierung der Einsatzsubstanzen incl. Zerkleinerung, Mischung und ggf. Zugabe von Zuschlagstoffen/Conditioners

49.

Zuleitung der Einsatzsubstanz zur Druckpumpe

50.

Druckpumpe, z.B. Drehschieberpumpe zur Einbringung der organischen Substanz in den Reaktor

51.

Druckraum mit Hydrier-/Methanisierreaktor und Elektrolysiereinheit It. 1-10.

52.

Vorratssegment für trockene organische Substanz wie Holz oder Kunststoffe

53.

Heißgasreinigung

54.

Kondensationseinheit

55.

Methantank

56.

Boil-Off-Rückführung

57.

Methanverflüssigung

58.

Endprodukt LNG

59.

Endprodukt Methan

60.

Kondensat zur Abwasserbehandlung / Kläranlage

61.

Aufarbeitung der abgereinigten Bestandteile mit NH₃-Abtrennung

62.

Aufarbeitung der Asche mit K/P-Abtrennung

Claims (14)

1. Anlage zur Hydrierung und Methanisierung von organischer Substanz zu Methan bei gleichzeitiger Erzeugung des zur Reaktion notwendigen Wasserstoffs durch Hochtemperatur-Elektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Erzeugung von Wasserstoff und der Reaktor zur Hydrierung und Methanisierung der organischen Substanz in einem gemeinsamen Druckraum untergebracht sind.
2. Anlage laut Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten zur Erzeugung von Wasserstoff und zur Hydrierung und Methanisierung der organischen Substanz auf weitgehend gleichem Druckniveau arbeiten und durch Druckleitungen verbunden sind.
3. Anlage zur Gewinnung von Methan aus organischen Substanzen bestehend aus einer Konditionierungseinheit mit Gärgaserfassung, der Reaktor-Einheit nach Anspruch 1 oder 2 und Nachbereitungsaggregaten dadurch gekennzeichnet, dass die Gase der Konditionierungseinheit oder aus externen Quellen der Reaktor-Einheit zuleitet werden und dadurch einen Schwachlastbetrieb ermöglicht wird, in dem die Gase ohne weiteren Zusatz organischer Substanz zu Methan umgesetzt werden.
4. Anlage zur Gewinnung von Methan aus organischen Substanzen dadurch gekennzeichnet, dass einer Einheit nach Anspruch 1 oder 2 eine Heißgasreinigung, eine Wasserdampfkondensation und eine Methanverflüssigung nachgeschaltet ist.
5. Anlage laut Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die festen Hydrierrückstände ausgeschleust werden und mittels einer Nährstoffaufbereitung zu mineralischen Nährstoffen wie Phosphor, Kalium, Calcium oder Magnesium aufgearbeitet werden.
6. Anlage laut Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die die Hydrierreaktion und die Methanisierung in einer Einheit ablaufen.
7. Anlage laut Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die die Hydrierreaktion und die Methanisierung und die Wasserstofferzeugung in einer Einheit ablaufen.
8. Anlage laut Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch SOFC-Brennstoffzellen erzeugt wird, die mit ihrer Kathode zueinander angeordnet sind und die Anoden mit dem Hydrierraum in Kontakt stehen und diese Anoden und deren Anodenstützen als Katalysator der Hydrierung wirken.
9. Anlage laut Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenraum mit den SOFC-Brennstoffzellenhalterungen in Verbindung steht und Wasserdampf und Reaktionsgase durch diese zu- und abgeführt werden.
10. Anlage laut Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander orientierten SOFC-Sandwich-Einheiten in Form sechseckiger Waben angeordnet werden und so einen Wabenreaktor bilden.
11. Anlage laut Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrier- und Methanisierreaktor durch Perforationsöffnungen zum Druckraum in Verbindung steht und Hydrier- und Methanisierreaktionen sowohl im Reaktor als auch im umgebenden Druckraum stattfinden können.
12. Anlage laut Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum aus eine Topf- und einem Deckelteil besteht, welche miteinander druckdicht verschließbar sind, und dass die Elektrolyse, die Hydrierung und Methanisierung absätzig nach Schließen stattfinden.
13. Anlage laut Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsaggregate wie die Elektrolyseeinheit und der Hydrier- und Katalysatorhalter sich im Deckelteil befinden und so mit einem oder wenigen Deckelteilen eine große Menge von mit organischer Substanz befüllter Topfteile prozessiert werden können.
14. Anlage laut Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die die Pufferung der organischen Substanz in einfachen topfförmigen Einsätzen durchgeführt wird und je ein topfförmiger Einsatz zur Durchführung der Reaktion in das druckfeste Topfteil gesetzt wird und sodann das Topfteil mit dem Deckelteil verbunden wird.

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