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Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan und ein Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors.
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Die Stromerzeugung schwankt mit zunehmendem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien während des Tagesverlaufs. Um ein Überangebot an Strom in Zeiten mit viel Sonne und starkem Wind bei niedriger Nachfrage nach Strom ausgleichen zu können, benötigt man regelbare Kraftwerke oder Speicher, um diese Energie zu speichern.
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Eine der derzeit angedachten Lösungen ist das Umwandeln von elektrischer Energie in Wertprodukte, die insbesondere organische Plattformchemikalien oder Synthesegas, welches Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umfasst, darstellen. Eine mögliche Technik zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wertprodukte stellt die Elektrolyse dar.
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Die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine im Stand der Technik bekannte Methode dar. Der in dem Elektrolyseprozess hergestellte Wasserstoff kann mit einer Kohlenstoffdioxid umfassenden Komponente zu Methan und Wasser reagieren. Das Methan kann dann vorteilhaft direkt in die bestehende Erdgasinfrastruktur eingespeist werden.
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Da die regenerativen Energiequellen wie Windenergie und Solarenergie nicht regelmäßig bereitstehen, kommt es bei der Produktion von Wasserstoff aus der Elektrolyse zu Schwankungen hinsichtlich der produzierten Wasserstoffmenge. Diese Schwankungen führen zu Fluktuationen des Wasserstoffvolumenstroms in einem Methanisierungsreaktor und können daher bei der Methanisierungs-Reaktion nachteilig zu einer Fluktuation der Produktgasqualität führen. Dadurch ist es nachteilig nötig, das produzierte Erdgas vor einer Einspeisung in das Erdgasnetz aufzubereiten. Ein zusätzlicher Aufbereitungsprozess führt nachteilig zu einem komplexeren Gesamtaufbau der Anlage und zu höheren Prozesskosten.
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Eine Möglichkeit diesen schwankenden Wasserstoffstrom auszugleichen besteht darin, einen Wasserstoffspeicher zwischen dem Wasserelektrolyseur und dem Reaktor zur Methanisierung anzuordnen. Die Wasserstoff-Fluktuationen werden auf diese Weise gepuffert. Nachteilig sind diese Wasserstoffspeicher sehr groß, wartungs- und kostenintensiv.
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Trotz Einsatz eines Wasserstoffspeichers kann es dennoch zu langfristigen Unterbrechungen der Wasserstoffzufuhr kommen, sodass der Reaktor nicht betrieben werden kann. Um das Anfahren des Reaktors nach einer Unterbrechung möglichst kurzfristig gewährleisten zu können, werden die Reaktoren während der Stillstandzeit beheizt. Dieses Beheizen ist nachteilig kosten- und energieintensiv.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Reaktor und ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors anzugeben, welcher eine flexible und energieoptimierte Herstellung von Methan bei fluktuierender Wasserstoffzufuhr ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rohrreaktor gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Rohrreaktor zum Umsetzen von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser umfasst wenigstens drei Reaktionszonen, wobei jede Reaktionszone einen Katalysator aufweist. Die erste Reaktionszone weist eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich auf, die zweite Reaktionszone weist eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich auf und die dritte Reaktionszone weist eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich auf, wobei jede der Reaktionszonen derart isoliert ist, dass die Reaktion adiabat durchführbar ist. Weiterhin ist wenigstens zwischen zwei benachharten Reaktionszonen eine Zuführvorrichtung für ein Kühlfluid angeordnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan in einem Rohrreaktor umfasst mehrere Schritte. Zunächst erfolgt das Bereitstellen eines Rohrreaktors mit wenigstens drei Reaktionszonen, wobei eine erste Reaktionszone eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich aufweist, eine zweite Reaktionszone eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich aufweist und eine dritte Reaktionszone eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich aufweist. Jede Reaktionszone ist derart isoliert, dass der Rohrreaktor innerhalb einer Reaktionszone adiabat betreibbar ist. Weiterhin weist jede Reaktionszone einen Katalysator auf. Zwischen wenigstens zwei benachbarten Reaktionszonen ist eine Zuführvorrichtung für ein Kühlfluid angeordnet. In diesen Rohrreaktor wird ein Eduktgas umfassend Wasserstoff in die erste Reaktionszone zugeführt. In der ersten Reaktionszone wird ein erster Anteil des Wasserstoffs zu einem ersten Anteil Methan umgesetzt. Anschließend wird Eduktgas umfassend den nicht reagierten Wasserstoff und der erste Anteil Methan in die zweite Reaktionszone geführt. In der zweiten Reaktionszone wird ein zweiter Anteil Wasserstoff zu einem zweiten Anteil Methan umgesetzt. Anschließend wird das Eduktgas umfassend den nicht reagierten Wasserstoff, der erste und der zweite Anteil Methan aus der zweiten in die dritte Reaktionszone geführt. In der dritten Reaktionszone wird dann ein dritter Anteil Wasserstoff zu einem dritten Anteil Methan umgesetzt. Dabei wird zwischen wenigstens zwei benachbarten Reaktionszonen ein Kühlfluid zugeführt.
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Die erste Reaktionszone stellt eine Anfahrzone des Rohrreaktors dar. Der erste Temperaturbereich dieser Zone sollte zweckmäßigerweise über einer Mindesttemperatur liegen, die oberhalb der Reaktionszündtemperatur und oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser, insbesondere 100 °C, liegt. Die zweite Reaktionszone mit einer Temperatur in dem zweiten Temperaturbereich sollte insbesondere unterhalb der Temperatur liegen, die die Stabilität des Katalysators begrenzt. In dieser Zone erfolgt der größte Umsatz des Wasserstoffs. In der dritten Reaktionszone wird der Wasserstoff umgesetzt, welcher in den ersten beiden Reaktionszone noch nicht umgesetzt wurde. Vorteilhaft ist, wenn die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich geringer als in dem zweiten Temperaturbereich ist. Wie bereits in der ersten Reaktionszone sollte die Temperatur in dieser dritten Reaktionszone zweckmäßigerweise aber oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser und oberhalb der Reaktions-Starttemperatur liegen.
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Da die Wasserstoffkonzentrationen zu Beginn der jeweiligen Zone schwanken können, und ein Umsatz in der jeweiligen Reaktionszone immer noch gewährleistet ist, kann dieser Rohrreaktor vorteilhaft mit fluktuierendem Wasserstoffzustrom betrieben werden. Insbesondere die dynamische Zugabe des Kühlfluids sorgt dafür, dass die Maximaltemperatur nicht überschritte oder eine Minimaltemperatur nicht unterschritten wird. Es ist also vorteilhaft möglich, dass Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan umgesetzt werden, wobei die zuzugebende Menge des Kühlfluids je nach Eingangsvolumenstrom des Eduktgases, gering oder hoch sein kann. In anderen Worten kann also vorteilhaft durch die Zugabe des Kühlfluids an unterschiedlichen Stellen des Rohrreaktors, also zwischen den jeweiligen Reaktionszonen, eine dynamische Temperierung der jeweiligen Reaktionszonen in Abhängigkeit der zugeführten Wasserstoffmenge erreicht werden. Vorteilhaft lässt sich eine direkte Kühlung mittels eines Kühlfluids, insbesondere Wasser, dynamisch nach Bedarf einstellen. Das Umsetzen von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan ist exotherm, wodurch bei einem hohen Umsatz eine hohe Energiemenge freigesetzt wird, welche aus dem System herausgebracht werden muss, bevor das Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Methan die dritte Reaktionszone durchströmt. So ist es ausreichend bei Zuführen einer großen Eduktgasmenge in den Rohrreaktor eine ausreichende Kühlleistung durch einen niedrigen Kühlfluidstrom zu erreichen. Für den Fall, dass eine geringe Eduktgasmenge zu Beginn in den Rohrreaktor geführt wird, kann ein hoher Kühlfluidstrom zugeführt werden. Vorteilhaft kann der Rohrreaktor somit energieeffizient und dynamisch betrieben werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei zweite Reaktionszonen in Längsrichtung des Rohrreaktors hintereinander angeordnet. In anderen Worten heißt das, dass der Rohrreaktor in Strömungsrichtung des Eduktgases hintereinander wenigstens zwei zweite Reaktionszonen aufweist. Vorteilhaft kann so der Umsatz des Rohrreaktors weiter erhöht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Zuführvorrichtung für das Kühlfluid zwischen den wenigstens zwei zweiten Reaktionszonen und/oder zwischen der zweiten Reaktionszone und der dritten Reaktionszone angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei erste und/oder dritte Reaktionszonen in Strömungsrichtung des Eduktgases hintereinander angeordnet. Zwischen jeder dieser Zonen ist eine Zuführvorrichtung für das Kühlmittel angeordnet. In anderen Worten heißt das, dass eine Reaktionszone durch die Zugabevorrichtung für das Kühlmittel begrenzt wird.
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Vorteilhaft gewährleistet die Zuführung eines Kühlfluids, insbesondere von Wasser, in den Rohrreaktor zwischen zwei benachbarten zweiten Reaktionszonen, dass die Maximaltemperatur, welche dort herrschen darf, damit weder der Katalysator noch das Reaktormaterial beschädigt werden, nicht überschritten wird. Dabei kann vorteilhaft die Menge des Kühlfluids derart angepasst werden, dass die Temperaturen der zweiten Reaktionszonen in einem optimalen Temperaturbereich liegen, sodass der Umsatz vorteilhaft hoch ist. Bei einer geringen Wasserstoffmenge, insbesondere aufgrund von Eduktgasknappheit, kann im Extremfall sogar auf die Zugabe des Kühlmediums verzichtet werden, sodass dann die beiden benachbarten zweiten Reaktionszonen wieder als nur eine zweite Reaktionszone fungieren.
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Die Zugabe eines Kühlfluids zwischen der zweiten Reaktionszone und der dritten Reaktionszone gewährleistet vorteilhaft, dass die Temperatur der dritten Reaktionszone unterhalb der Temperatur der zweiten Reaktionszone liegt. Es ist also vorteilhaft möglich, eine große Kühlleistung durch einen hohen Kühlfluidstrom vor der dritten Reaktionszone zu erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt die Temperatur in der ersten Reaktionszone in einem ersten Temperaturbereich, der von 100 °C bis 400 °C reicht. Besonders vorteilhaft liegt die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich zwischen 150 °C und 250 °C. Vorteilhaft wird die in der ersten Reaktionszone entstehende Wärme in die zweite Reaktionszone mittels der Edukte und Produkte transportiert und somit zum Heizen der zweiten Reaktionszone verwendet. Vorteilhaft wird in Abhängigkeit des Volumenstroms des Eduktgases die Eintrittstemperatur vor jeder Zone angepasst. Bei geringen Volumenströmen wird die Heizleistung in der ersten Zone niedriger eingestellt, da die Verweilzeit des Eduktgases in der ersten Reaktionszone höher ist und damit prozentual mehr umgesetzt werden kann. Bei hohen Volumenströmen des Eduktgases durch die erste Reaktionszone wird die Eintrittstemperatur höher eingestellt, da die Verweilzeit des Eduktgases in der ersten Reaktionszone kürzer ist. Der relative Umsatz ist hier geringer.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung beträgt die maximale Temperatur des zweiten Temperaturbereichs 600 °C. Besonders vorteilhaft beträgt die Maximaltemperatur des zweiten Temperaturbereichs 500 °C. Vorteilhaft wird diese Maximaltemperatur derart gewählt, dass sowohl die Festigkeit des Reaktormaterials als auch die Stabilität des Katalysators gewährleistet werden können. In dieser zweiten Reaktionszone wird ein hoher Umsatz von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan erreicht, was zu Entstehung hoher Wärmemengen führt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die maximale Temperatur nicht zu überschreiten. Das kann mittels einer indirekten Kühlung, insbesondere durch das Einbringen von Kühlmedien durchströmten Bauteilen, insbesondere in Form von Wärmetauschern, erfolgen. Alternativ kann auch ein direktes Kühlen mittels eines Kühlfluids, insbesondere Wasser, durchgeführt werden, wobei das Wasser in die zweite Reaktionszone eingedüst wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt die Temperatur im dritten Temperaturbereich zwischen 200 °C und 400 °C. Besonders vorteilhaft liegt die Temperatur im dritten Temperaturbereich zwischen 250 °C und 350 °C. Vorteilhaft liegt die Temperatur im dritten Temperaturbereich unterhalb der Temperatur des zweiten Temperaturbereichs bei hoher Katalysatorbettdichte, wodurch gewährleistet wird, dass der noch nicht umgesetzte Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in der dritten Reaktionszone zu Methan umgesetzt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Reaktionszone eine Heizung. Diese Heizung gewährleistet vorteilhaft, dass die Minimaltemperatur für den Reaktionsstart erreicht wird. Weiterhin gewährleistet die Heizung, dass die Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Wassers liegt. Wasser wird als Produkt während des Umsetzens des Wasserstoffs mit Kohlenstoffdioxid zu Methan produziert. Weiterhin kann nach Bedarf Wasser als Kühlfluid dem Prozess zugeführt werden. Das Wasser sollte dampfförmig vorliegen, um die Stabilität des Katalysatorbetts zu gewährleisten und Verkokung zu verhindern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfassen das erste, das zweite und/oder das dritte Katalysatorbett eine poröse Metallstruktur zur Aufnahme des Katalysators. Die Metallstruktur ist vorteilhaft elektrisch leitend. Vorteilhaft weisen solche metallischen Grundstrukturen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin ermöglichen diese Strukturen ein hohes Oberflächen- zu Volumenverhältnis, was einen effektiven Wärmeeintrag in den Reaktor ermöglicht. Der Wärmeeintrag kann über eine Beheizung der Reaktorwand, welche mit der Metallstruktur in direktem Kontakt steht, erfolgen. Dies ermöglicht einen im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatorpellets besseren Wärmeeintrag. Dies ist insbesondere in der ersten Reaktionszone vorteilhaft.
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Alternativ kann die Metallstruktur mit Elektroden verbunden sein. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden und den elektrischen Widerstand in der Metallstruktur kann ein Temperaturanstieg der Metallstruktur erreicht werden. Das Kontaktieren der Metallstruktur mit Elektroden ermöglicht einen noch schnelleren Wärmeeintrag im Vergleich zur Kontaktierung der Metallstruktur mit einer Heizung. Das schnelle Beheizen der ersten Reaktionszone ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Reaktor bei einer Unterbrechung der Eduktzufuhr auf eine Temperatur unterhalb einer Minimaltemperatur abgekühlt ist und daher bei erneutem Einsatz des Reaktors schnell beheizt werden muss, um die Anfahrtstemperatur zu erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Katalysator als poröses Schüttgut in den Rohrreaktor eingebracht.
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Eine alternative Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Metallstruktur mit Katalysator zu beschichteten.
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Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer mit Katalysator beschichteten Metallstruktur, welche mit Elektroden verbunden ist, um eine direkte und damit auch vorteilhaft schnelle Heizung der Metallstruktur und somit des Katalysators zu erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung stammt der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser. Besonders vorteilhaft kann der Rohrreaktor mit den drei Reaktionszonen mit dem fluktuierenden Wasserstoffstrom aus der Elektrolyse in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie dynamisch betrieben werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als das Kühlfluid Wasser verwendet.
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Vorteilhaft ist Wasser als Produkt bereits im Reaktor vorhanden, sodass Wasser keine zusätzlichen Nebenreaktionen hervorruft. Weiterhin kann Wasser aufgrund seiner Verdampfungsenthalpie vorteilhaft große Wärmemengen aufnehmen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird das Kühlfluid vor der ersten Reaktionszone in den Reaktor geführt. Vorteilhaft kann mittels dieser Zugabestelle für das Kühlfluid, insbesondere für das Wasser, die gesamte Reaktortemperatur erniedrigt werden. Somit kann bei sehr hohen Umsätzen vermieden werden, dass die maximal zulässige Temperatur des Reaktors überschritten wird. Vorteilhaft vermeidet diese Zugabestelle für das Kühlfluid somit vorzeitige Alterung des Katalysators und der Reaktormaterialien.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Reaktionszone ein erstes Katalysatorbett mit einer ersten Dichte, die zweite Reaktionszone ein zweites Katalysatorbett mit einer zweiten Dichte und die dritte Reaktionszone ein drittes Katalysatorbett mit einer dritten Dichte. Dabei ist die erste Dichte kleiner als die zweite Dichte, und die zweite Dichte kleiner als die dritte Dichte. In anderen Worten heißt das, dass die Dichte in Strömungsrichtung der Eduktgase innerhalb des Rohrreaktors zunimmt. Vorteilhaft ermöglicht das Führen des Eduktgases umfassend Wasserstoff durch die unterschiedlichen Reaktionszonen mit zunehmender Katalysatorbett-Dichte ein flexibles Umsetzen von Wasserstoff ohne den Einsatz eines großen, kostenintensiven Wasserstoffspeichers und ohne den Einsatz einer Temperierung während einer Reaktionsunterbrechung, sodass das flexible Umsetzen des Wasserstoffs bei geringem Energieverbrauch möglich ist.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
- 1 einen Rohrreaktor mit einer ersten Reaktionszone, einer zweiten Reaktionszone, einer dritten Reaktionszone und einer variablen Reaktionszone;
- 2 einen Rohrreaktor mit vier Reaktionszonen, Temperaturverlauf und Zuführvorrichtungen für das Kühlfluid;
- 3 einen Rohrreaktor mit vier Reaktionszonen und drei Katalysatorbetten unterschiedlicher Dichte;
- 4 eine Metallstruktur eines Katalysatorbetts des Rohrreaktors;
- 5 ein Verfahrensschema der Methanisierung des Wasserstoffs mittels des Rohrreaktors.
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1 zeigt einen Rohrreaktor 1 mit einer ersten Reaktionszone 11, einer zweiten Reaktionszone 112, einer dritten Reaktionszone 13 und einer variablen Reaktionszone 212. Die Reaktionszone 212 kann in Abhängigkeit des Temperaturprofils als zusätzliche zweite Reaktionszone oder als zusätzliche dritte Reaktionszone fungieren. In die erste Reaktionszone 11 wird Wasserstoff 2 und Kohlenstoffdioxid 3 geführt. In dem Rohrreaktor 1 erfolgt die Methanisierung gemäß Gleichung 1.
4 H2+CO2 → CH4+2 H2O Gleichung 1
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Demnach verlassen Methan 4 und Wasser 5 den Rohrreaktor 1. Zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212 kann ein Kühlmittel, insbesondere Wasser 5, hinzugegeben werden. Auch zwischen der variablen Reaktionszone 212 und der dritten Reaktionszone 13 kann das Kühlmittel, insbesondere Wasser 5, hinzugegeben werden.
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2 zeigt denselben Rohrreaktor 1 wie 1 und zusätzlich einen ersten Temperaturverlauf 21 in der ersten Reaktionszone 11, einen zweiten Temperaturverlauf 22 in der zweiten Reaktionszone 112, einen dritten Temperaturverlauf 23 in der dritten Reaktionszone 13 und einen vierten Temperaturverlauf 39 in der variablen Reaktionszone 212. Weiterhin zeigt 2 die Minimaltemperatur Tmin , oberhalb welcher die Temperatur in der Reaktionszone sein muss, damit die Reaktion startet und das Wasser nicht kondensiert. Auch die Maximaltemperatur Tmax ist in 2 gezeigt, oberhalb welcher der Katalysator desaktiviert wird. Des Weiteren zeigt 2 weitere Zuführvorrichtung 37 und 38 für das Kühlmittel, insbesondere Wasser 5.
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2 macht deutlich, dass jede der Reaktionszonen adiabat betrieben wird. Die Methanisierungs-Reaktion gemäß Gleichung 1 ist exotherm. Daher steigt innerhalb einer Reaktionszone die Temperatur an. Aus 2 wird auch deutlich, dass die zweite Reaktionszone 112 die Reaktionszone mit dem größten Umsatz ist, da hier die Temperatur am deutlichsten und höchsten steigt. Zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212 ist ein deutlicher Temperatursprung sichtbar. An dieser Stelle wird Wasser als Kühlmittel hinzugegeben. Dadurch sinkt auch der Umsatz. In der dritten Reaktionszone 13 erfolgt das Umsetzen des dritten Anteils Wasserstoff zu Methan. In diesem Beispiel fungiert die variable Zone 212 als dritte Zone, um ein Überhitzen des Rohrreaktors im dynamischen Betrieb bei Umsätzen zu verhindern.
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Die variable Zone 212 kann bei Bedarf ebenso als weitere zweite Zone fungieren. Dann erfolgt eine weniger starke Kühlung zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212. Die variable Zone 212 ermöglicht demnach einen dynamischen Betrieb des Rohrreaktors 1, bei dem mit Auswahl der Menge des Kühlfluids, insbesondere Wasser 5, zwischen den Reaktionszonen die Anzahl der Reaktionszonen und deren Funktion variabel eingestellt werden kann.
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Eine weitere Reaktionszone wird also immer durch das Zugeben von Wasser 5 als Kühlmittel festgelegt. Dabei ist die Reaktionszone unabhängig von der Katalysatordichte im Katalysatorbett. Es ist demnach auch ein Rohrreaktor mit nur einer konstanten Dichte des Katalysators über die gesamte Länge des Rohrreaktors mit unterschiedlichen Reaktionszonen aufgrund der Temperaturbereiche denkbar. Ebenso ist denkbar, dass die Katalysatorbettdichte konstant in Fließrichtung des Eduktgases zunimmt und dann auch innerhalb einer Reaktionszone eine zunehmende Katalysatorbettdichte vorhanden ist. Die Länge der Reaktionszone kann variieren. Die Austrittstemperatur jeder Zone sollte im Wesentlichen gleich sein. Sie Eintrittstemperatur in jede Zone sollte in Abhängigkeit, ob es sich um eine erste, eine zweite oder eine dritte Zone handelt, variieren.
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Die vierte Zuführvorrichtung 38 für das Kühlfluid Wasser 5, kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn die Temperatur im gesamten Reaktor erniedrigt werden soll. Durch die Zufuhr von Wasser 5 am Eingang der ersten Reaktionszone 11 wird durch das Verdampfen des Wassers eine niedrige Gasgemischtemperatur erzeugt. Durch die Konvektion des Gasgemisches mit der geringeren Temperatur, wird eine Verringerung der Temperatur über den gesamten Rohrreaktor 1 ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise erfolgt an wenigstens einer der Zuführvorrichtungen eine Temperaturmessung, welche es ermöglicht, die Wasserzufuhr dynamisch in Abhängigkeit des Eduktgasvolumenstromes zu regeln.
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3 zeigt einen Rohrreaktor 1 mit einer ersten Reaktionszone 11, einer zweiten Reaktionszone 112, einer dritten Reaktionszone 13 und einer variablen Reaktionszone 212. Die erste Reaktionszone 11 umfasst ein erstes Katalysatorbett 14 mit einer ersten Dichte. Die zweite Reaktionszone 112 umfasst ein zweites Katalysatorbett 15 mit einer zweiten Dichte. Die dritte Reaktionszone 13 umfasst ein drittes Katalysatorbett 16 mit einer dritten Dichte. Die variable Reaktionszone 212 umfasst in diesem Beispiel ein zweites Katalysatorbett 15 mit einer zweiten Dichte. Die Reaktionszonen sind im Rohrreaktor 1 hintereinander hinsichtlich der durch Strömungsrichtung der Eduktgase Wasserstoff 2 und Kohlenstoffdioxid 3 angeordnet. Zwischen der zweiten Reaktionszone 12 und der dritten Reaktionszone 13 befindet sich eine Zuführvorrichtung 9 für ein Kühlfluid. Auch zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212 ist eine Zuführvorrichtung 9 für das Kühlfluid vorgesehen. Für den Fall, dass in diese Zuführvorrichtung Wasser 5 eingebracht wird, kann die variable Reaktionszone 212 in Abhängigkeit der zu gegebenen Wassermenge als zusätzliche zweite Reaktionszone oder als dritte Reaktionszone fungieren. Am Ende des Rohrreaktors 1 verlassen Methan 4 und Wasser 5 als Produktstrom den Rohrreaktor 1.
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Die Dichte des Katalysatorbetts in der jeweiligen Reaktionszone nimmt in Richtung der Strömung des Eduktgases zu. D. h., die erste Reaktionszone weist das Katalysatorbett mit der niedrigsten Dichte auf, die dritte Reaktionszone das Katalysatorbett mit der höchsten Dichte.
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Der Katalysator ist insbesondere vorteilhaft als Schicht in einer Metallstruktur 30 angeordnet. Diese Metallstruktur wird in 4 näher erläutert.
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Die drei Reaktionszonen 11, 112, 13 ermöglichen durch die unterschiedlichen Dichten der drei Katalysatorbetten 14, 15 und 16 den Betrieb für unterschiedliche Wasserstoff-Eingangskonzentrationen. Aufgrund der vielen Zuführvorrichtungen für das Kühlfluid, insbesondere Wasser 5, kann der Reaktor 1 dynamisch betrieben werden. Durch die erste Zuführvorrichtung 9 und die zweite Zuführvorrichtung 36 kann eingestellt werden, ob die variable Reaktionszone 212 eine zweite Reaktionszone oder eine dritte Reaktionszone darstellen soll. Die vierte Zuführvorrichtung 38 für das Kühlmittel, insbesondere Wasser 5, dient insbesondere dazu, den gesamten Rohrreaktor 1 abzukühlen. Ein großer Wasserstoffspeicher zum Speichern des Wasserstoffs in Zeiten von hoher Wasserstoffproduktion ist vorteilhaft nicht nötig.
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4 zeigt eine Metallstruktur 30, in welche der Katalysator eingebettet werden kann. Diese Metallstruktur 30 weist insbesondere eine Diamanteinheitszelle auf, welche Zwischenräume aufweist, in welche Katalysator eingebracht werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Metallstruktur mit Katalysator beschichtet, sodass eine Katalysatorschicht 32 auf dem Metallträger 33 entsteht. Vorteilhaft weist diese metallische Grundstruktur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem weist diese Struktur ein hohes Oberflächen- zu Volumenverhältnis auf, was einen effektiven Wärmeeintrag in den Reaktor 1 ermöglicht.
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Der Wärmeeintrag in den Rohrreaktor 1 kann entweder über die Beheizung einer Reaktorwand des Rohrreaktors erfolgen. Dann ist es zweckmäßig wenn die Reaktorwand des Rohrreaktors 1 die Metallstruktur 30 direkt kontaktiert.
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Besonders bevorzugt ist es aber alternativ, dass die Metallstruktur 30 von Elektroden kontaktiert wird und bei Anlegen einer Spannung aufgrund des elektrischen Widerstands erhitzt wird. Dies ermöglicht eine sehr effiziente und schnelle Erwärmung der Katalysatorstruktur, was den Wärmeeintrag in den Rohrreaktor 1 energieeffizient gestaltet. Vorteilhaft kann weiterhin bei der Unterbrechung der Eduktzufuhr der abgekühlte Rohrreaktor 1 schnell elektrisch beheizt werden und somit schnell wieder die Betriebstemperatur der ersten Reaktionszone 11 erzeugt werden.
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Diese beschichtete Metallstruktur 30 liegt besonders vorteilhaft in der ersten Reaktionszone 11 vor. Es ist aber auch möglich, dass die Metallstruktur 30 auch in der zweiten Reaktionszone 112 und in der dritten Reaktionszone 13 angeordnet ist.
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5 zeigt schematisch die Verschaltung des Rohrreaktors 1, also der Methanisierung 10, mit der Elektrolyse 40, einer Aufbereitungsanlage 50 und dem Erdgasnetz 60.
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Wasser 5 wird mittels elektrischer Energie, insbesondere wenn Überschussenergie bei viel Wind und Sonne vorhanden ist, zu Wasserstoff 2 und Sauerstoff 17 gespalten. Der Wasserstoff 2 wird in den Rohrreaktor 1 zur Methanisierung 10 geführt. Außerdem wird Kohlenstoffdioxid 3 zugeführt. Während der Methanisierung wird aus dem Kohlenstoffdioxid 3 und dem Wasserstoff Methan 4 und Wasser 5 hergestellt. Das Methan 4 wird anschließend in eine Methanaufbereitungsanlage 50 geführt, wo es so aufgearbeitet wird, dass es in das Erdgasnetz 60 geleitet werden kann. Alternativ zu dem Führen in die Erdgasleitung ist es denkbar, dass das Methan für Folgereaktionen verwendet wird. Weiterhin kann das Methan direkt als Treibstoff in Fortbewegungsmitteln, insbesondere Fahrzeugen, eingesetzt werden.
