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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501130
Projekttitel
Entwicklung eines „Smart-Konzepts“ für ein Biogas-Upgrade durch kontinuierliche CO2 Methanisierung

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Englisch)

CO2 Methanation, Hydrogen Storage, Sorption Catalyst, Self-regeneration, Biogas-Upgrade

Kurzbeschreibung
(Deutsch)
Ziel des Projektes ist die Entwicklung, Konzeption und Demonstration eines kontinuierlich betriebenen CO2 Methanisierungsreaktors für biogene Quellen. Auf Basis eines neuartigen Wirkungsprinzips – einem sich selbst-regenerierenden Sorptionskatalysator (SMARTCAT) – soll demonstriert werden wie residuales CO2 aus Biogasreaktoren mit regenerativem Wasserstoff (RH2) optimal zu hochangereichertem und reinem CH4 umgewandelt werden kann, um einen direkte Einleitung in bestehende Erdgasnetze zu erlauben.
Schlussbericht
(Deutsch)
Die Produktion von erneuerbaren Energieträgern hat in der Schweiz stark zugenommen. Die Schweizer Gaswirtschaft will – weil der Anteil an inländischem Biogas erst 1% beträgt – dessen Einspeisung markant erhöhen und bis 2030 einen Anteil von 30% im Wärmemarkt erreichen.   Da Biogas zu ca. 50% aus Methan (CH4) besteht, müssen die restlichen Komponenten, CO2 und H2O, vor der Einspeisung in das Gasnetz abgetrennt werden. Das Projekt SMARTCAT zielt daher auf ein Biogas-Upgrade ab: Zwei neuartige Katalysator- & Reaktorkonzepte wurden für die anspruchsvolle, katalytische CO2 Methanisierung aus Biogasen entwickelt. Mittels innovativer Materialkonzepte konnte einerseits katalytischen und mikrostrukturellen Degradationserscheinungen durch hohe Temperaturen bzw. Katalysatorgifte und anderseits dem geringen Wirkungsgrad hinsichtlich der CH4 Ausbeute und der Ressourceninsuffizienz entgegengewirkt werden.  Ein sich unter dynamischen Betriebsbedingungen selbstregenerierender Katalysator ermöglicht es, die katalytisch aktive Phase nanodispers aus der Struktur auszulösen, aber sie auch reversibel wieder einzubauen. Durch gezieltes Materialdesign erreicht der neuartige Katalysator mit nur 2.5 Gew.% Nickel einen Methananteil von 80% bei 450-500 °C. Zur reversiblen Regeneration benötigt es noch 650 °C, weil die Nickeldiffusion mit sinkender Temperatur zu stark gehemmt ist. Jedoch konnte nach multipler Regeneration gezeigt werden, dass die sich die Mikrostruktur wieder optimal und feindispers aufbaut und so längere Standzeiten erlaubt und der Degradation entgegenwirkt. Zum anderen wurde ein sorptionsbasierte CO2 Methanisierung eingesetzt, welche bei 300 °C eine vollständige CO2 Umsetzung zu Methan erreicht. Am Reaktorausgang liegt ohne nachgeschaltete Gasseparation ein trockener und zu 100% aus CH4 bestehender Produktstrom vor, der keine praktisch relevanten Anteile an CO2, CO oder Feuchtigkeit aufweist.  Um den technologischem Reifegrad (TRL) zu erhöhen, wurde ein 1 kW Prototyp konstruiert und erbaut, an dem die prozessrelevanten Betriebsparameter für die Methanisierung und die diffusionslimitierte Regeneration ermittelt wurden. Das modulare Reaktorkonzept ist damit für einen Technologietransfer in eine Demonstrationsanlage bereit.
Schlussbericht
(Englisch)

Renewable fuels  play a key role in the Swiss energy landscape. While the amount of renewable biogas is just 1% as of 2018, the Swiss gas industry aims to increase this amount up to 30% in the heating market until 2030. The SMARTCAT project focusses on a biogas upgrade: two novel catalytic CO2 methanation concepts are explored and established to provide solutions to typical degadation mechanisms, that is catalytic and microstructural degradation from operation temperature and typical poisons as well as an insufficient methane yield. 
At first, a perovskite-type catalyst whose host matrix is capable of reversibly exsolve and reincorporate the catalytic active metal nanostructures when redox cycled. The proof-of-concept is given here and it is shown that such concept can be operated at less than 2.5 wt% of nickel at 450-500 °C with a methane yield of about 80% under stoichiometric conditions. This is about 450 °C lower than initial operation temperature of the very first material composition. Redox cycling needs to take place at 650°C, keeping in mind, that lower temperatures limit the cation diffusion in the ceramic host. However, the microstructure is fully recovered on an hourly time level, allowing an extended lifetime of catalysts and counteract microstructure degradation.
Secondly, improvement of the methanation efficiency is tackled by sorption enhanced catalysis, providing a full CO2 conversion to methane: A yield of 100% of dry CH4 is reached without any practical relevant amounts of CO2, CO, or humidity at temperatures as low as 300°C and that without any additional separation steps. To shift the technology readiness level from proof-of-concept to a technology relevant level, a 1 kW demonstrator was constructed and operated to receive operation relevant process parameters on the methanation and diffusion controlled drying. A modular concept is established which solved this, ready for transfer into a demonstration plant.

Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Französisch)
La part des carburants renouvelables dans le paysage énergétique suisse progresse d’année en année. L’objectif de l’industrie gazière suisse est d’augmenter cette part de 1% en 2018 jusqu’à 30% en 2030 sur le marché des énergies de chauffage. Le projet SMARTCAT est articulé autour du thème de la valorisation du biogaz, avec pour objet d’étude deux concepts innovants pour la catalyse de la méthanation du CO2. D’une part, ces concepts apportent des solutions aux phénomènes de dégradation des catalyseurs actuels: dégradation catalytique et microstructurale, contamination. D’autre part, ils améliorent le rendement en méthane du procédé. Le premier de ces concepts est l’auto-régénération d’un catalyseur par oxydoréduction. Ce résultat est atteint en utilisant un support de type pérovskite capable d’exsolver et de réincorporer de manière réversible une distribution de nanoparticules de nickel. Ici, la preuve expérimentale de ce concept est faite avec un catalyseur contenant moins de 2.5% de nickel et opérant dans l’intervalle 450-500°C avec un rendement en méthane d’environ 80%. La température de fonctionnement a ainsi été réduite de 450°C par rapport à notre composition de départ. Toutefois, une température de 650°C est nécessaire pour activer la diffusion des cations pour la phase de réincorporation. Celle-ci se fait sur des durées de l’ordre de l’heure, ce qui permet d’augmenter la durée de vie du catalyseur et de lutter contre sa dégradation microstructurale. 
Le deuxième concept consiste en l’amélioration du rendement en méthane de la réaction de Sabatier au moyen de l’adsorption de l’eau produite par cette dernière par un support hydrophile. Des zéolites ont été utilisées à cet effet, toujours avec du nickel comme élément actif. Le rendement en méthane (sec) a été poussé jusque 100% à 300°C, sans produit non désiré, et donc sans la nécessité d’une étape ultérieure de séparation en phase gazeuse. Nous avons intensifié le procédé en portant sa puissance à 1 kW. Ses paramètres principaux - dimensionnement d’un démonstrateur de type modulaire, cinétique (limitante) d’évolution de l’eau pour la méthanisation et le séchage des zéolites - ont été optimisés.