High-Conversion and Load-Flexible Methanol Synthesis

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502717-WP5

Short description (German)

Methanol ist derzeit eine der bedeutendsten Plattformchemikalien. Experten gehen davon aus, dass seine Bedeutung und seine Verwendung als grüner Wasserstoffträger, nachhaltiger Kraftstoff und Plattformchemikalie für den Übergang zu grünen Chemikalien erheblich zunehmen wird. Methanol kann einfach transportiert und gelagert werden. Die heutige Methanol Produktion erfolgt durch Reformierung von fossilem Erdgas zu Synthesegas (CO und H₂) als Ausgangsstoff für die Hydrierungsreaktion zu Methanol. Die Umstellung auf CO2 und Wasserstoff, produziert mit erneuerbaren Energien, und damit die CO2-neutrale Produktion erfordert eine Anpassung der verfahrenstechnischen Prozesse und Katalysatoren. Die Kopplung der Methanolherstellung mit der erneuerbaren Stromversorgung erfordert Last- und Teillastflexibilität der Anlagen. Darüber hinaus ist die Thermodynamik der Methanolsynthese eine Herausforderung, da das thermodynamische Gleichgewicht hohe Reaktordrücke oder die Entfernung von Reaktionsprodukten nach dem Prinzip von le-Chatelier erfordert. Letzteres ist aufgrund seiner energetischen Effizienz der Hochdruckvariante vorzuziehen. Dies kann auf mikroskopischer Ebene erreicht werden, indem dem Katalysatorbett Adsorbenzien hinzugefügt werden, die selektiv für Wasser sind.

Das WP5 im Rahmen von reFuel.ch hat die Aufgabe die Methanolproduktion diesen alternativen Ansatz zum Demonstrations-Massstab zu entwickeln. Im Detail verfolgt das Projekt folgende Ziele:

• Untersuchung der besten sorptionsgestützten katalytischen Ansätze für eine effiziente Methanolsynthese aus CO2, die einen hohen Umsatz pro Durchgang und eine hohe Selektivität anstrebt
• Entwicklung eines selektiven, stabilen und wirtschaftlichen Katalysatorsystems
• Entwurf eines Reaktors und Prozesses für einen flexiblen Betrieb
• Demonstration des sorptionsverstärkten Reaktorsystems im Labormassstab

Short description (English)

Methanol is currently one of the most important platform chemicals. Experts expect that its impact and use will increase significantly as a green hydrogen carrier, sustainable fuel, and platform chemical for the transition to green chemicals. Easiness of transportation and storage are among the main advantages concerning other energy carriers. State-of-the-art methanol production is done via the reforming of fossil natural gas for the production of synthesis gas (CO and H2) as feed for the hydrogenation reaction. Changing the feed to CO2 and hydrogen to shift to renewable energies and CO2-neutral production requires process and catalyst adaption. Coupling the methanol production with renewable electricity supply demands for dynamic load and part-load flexibility of the methanol plant. Beyond that, a prevailing issue of methanol synthesis is the thermodynamic equilibrium, which requires high reactor pressures or the removal of the reaction products according to the principle of le-Chatelier. The latter is favorable over the high-pressure option due to its energetic efficiency. This can be achieved on a microscopic level by adding adsorbents to the catalyst bed, which are selective for water. The WP5, within reFuel.ch, has the task to demonstrate this alternative methanol production concept. The detailed tasks are:

• Identifying the best sorption-enhanced catalytic approaches for efficient methanol synthesis from CO2 pursuing a high per-pass conversion and high selectivity
• Developing a selective, stable, and economic catalyst system
• Designing a reactor and process for flexible operation
• Demonstrating the sorption-enhanced reactor system on a laboratory scale

Short description (French)

Le méthanol est actuellement l'un des produits chimiques de base les plus importants. Les experts s'attendent à ce que son impact et son utilisation augmentent considérablement. La facilité de transport et de stockage est l'un de ses principaux avantages par rapport à d'autres vecteurs énergétiques. La production de méthanol se fait typiquement via le reformage du gaz naturel fossile en gaz de synthèse (CO et H₂) qui est convertie en méthanol après hydrogénation. Afin de conduire une transition vers un procédé neutre en émissions de CO₂, il est nécessaire d'adapter le processus et son catalyseur vers l’usage de CO₂ et d’hydrogène en lieu et place du gaz de synthèse. Cependant, l’un des principaux obstacles pour la synthèse du méthanol est l'équilibre thermodynamique, qui nécessite de travailler à des pressions élevées ou d'éliminer des produits du milieu réactionnel selon le principe de Le-Chatelier. Cette dernière option est préférable en raison de sa meilleure efficacité énergétique et peut être réalisée via l’ajout d’adsorbants sélectifs pour l’eau au lit catalytique. Le WP5, de reFuel.ch, a pour mission de démontrer ce concept de production de méthanol. Les tâches détaillées sont les suivantes :

• Identifier les meilleures approches catalytiques avec déplacement de l’équilibre thermodynamique par adsorption, pour une synthèse efficace du méthanol à partir du CO₂ en recherchant une conversion élevée par passage et une grande sélectivité
• Développer un système catalytique sélectif, stable et économique
• Conception d'un réacteur et d'un procédé pour un fonctionnement flexible
• Démonstration du système de réacteur à sorption à l'échelle du laboratoire

Short description (Italian)

Il metanolo è uno dei più importanti prodotti chimici di piattaforma il cui utilizzo ed impatto come vettore di idrogeno verde, combustibile sostenibile e prodotto di piattaforma per la transizione verso la chimica verde, aumenteranno in modo significativo. Il trasporto e lo stoccaggio sono i principali vantaggi del metanolo, la cui produzione avviene tramite il reforming di gas naturale fossile a gas di sintesi (H₂/CO) che viene usato come tale per la reazione di idrogenazione. Cambiare l'alimentazione in CO₂ e idrogeno passando alle energie rinnovabili e sfruttando la produzione neutrale di CO₂ richiede l'adattamento del processo e del catalizzatore. L'accoppiamento della produzione di metanolo alla fornitura di energia elettrica rinnovabile necessita di una flessibilità sia del carico dinamico che del carico parziale dell'impianto di produzione. Inoltre, l'equilibrio termodinamico che limita la sintesi del metanolo richiede alte pressioni nel reattore. La rimozione dei prodotti di reazione secondo il principio di Le Châtelier è un’opzione preferibile per la sua efficienza energetica e può essere realizzata aggiungendo al letto catalitico degli adsorbenti selettivi dell'acqua. Il WP5 di reFuel.ch ha il compito di dimostrare questo concetto alternativo di produzione del metanolo mirando:

• all’identificazione dei migliori catalizzatori potenziati dall'adsorbimento dell’acqua per la sintesi del metanolo da CO₂, perseguendo un'elevata conversione per passaggio e un'alta selettività;
• allo sviluppo di un catalizzatore selettivo, stabile ed economico;
• alla progettazione di un reattore e di un processo per un funzionamento versatile;
• alla dimostrazione del potenziale del reattore con adsorbimento dell’acqua su scala di laboratorio.