Description succincte
(Allemand)
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Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist das Upscaling und die Industrialisierung eines neuartigen, hocheffizienten Reaktors für synthetisches Methan. Die Zielgröße des zu entwickelnden Methanisierungsreaktors beträgt 16 kgCH4/h. Es handelt sich um die dritte Generation eines Entwicklungsprozesses, der 2016 am Laboratory of Materials for Renewable Energy (LMER) der EPFL Valais/Wallis begonnen wurde. Der erste Prototyp hat eine Kapazität von 0,1 kgCH4/h und wurde im Rahmen eines Technologiedemonstrators betrieben. Der zweite Prototyp wurde gemeinsam von Gaznat und der EPFL im Rahmen eines Innosuisse-Projekts entwickelt; er hat eine Kapazität von 0,7kgCH4/h und ist in eine bestehende Gasmess- und Regelstation integriert. Die nächsten Schritte, die Teil des aktuellen Vorschlags sind, sind (1) das Upscaling auf eine Kapazität von 16 kgCH4/h, was einer Leistung von 225 kW auf dem höheren Heizwert von Methan entspricht, (2) die Entwicklung einer Synthesemethode und die Optimierung der Katalysatorzusammensetzung und (3) die Zertifizierung des Systems nach allen relevanten Vorschriften, um den Weg für die Kommerzialisierung der Technologie zu ebnen. Der neu entwickelte Reaktor wird Teil eines größeren Projekts sein, in dem die gesamte Technologiekette von der Photovoltaik-Produktion über die CO2-Abscheidung und H2-Produktion bis hin zur Methanisierung gezeigt wird. Das System wird auf dem Gelände von Gaznat in Aigle installiert werden.
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Description succincte
(Anglais)
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The objective of the proposed project is the upscaling and industrialization of a novel, highly efficient synthetic methane reactor. The target size of the methanation reactor to be developed is 16 kgCH4/h. It will be the third generation of a development process initiated in 2016 at the Laboratory of Materials for Renewable Energy (LMER) of EPFL Valais/Wallis. The first prototype has a capacity of 0.1kgCH4/h and was operated within a technology demonstrator. The second prototype was developed jointly by Gaznat and EPFL within an Innosuisse project; it has a capacity of 0.7kgCH4/h and is integrated into an existing gas metering and regulating station. The next steps which are part of the current proposal are (1) the upscaling to a capacity of 16 kgCH4/h, which corresponds to a power of 225 kW on the higher heating value of methane, (2) develop a synthesis method and optimize the catalyst composition and (3) the certification of the system according to all relevant codes so as to pave the way for the commercialization of the technology. The newly developed reactor will be part of a larger project showcasing the complete technology chain from photovoltaic production, CO2 capture and H2 production to methanation. The system will be installed on the premises of Gaznat in Aigle.
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Description succincte
(Français)
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L'objet du projet proposé est la mise à l'échelle et l'industrialisation d'un nouveau réacteur de méthanation à haute efficacité. La taille cible du réacteur de méthanation à développer est de 16 kgCH4/h. Il s'agira de la troisième itération d'un processus de développement initié en 2016 au Laboratoire des Matériaux pour les Énergies Renouvelables (LMER) de l'EPFL Valais / Wallis. Le premier prototype a une capacité de 0.1 kgCH4/h et a été exploité au sein d'un démonstrateur technologique de l'EPFL. Le deuxième prototype a été développé conjointement par Gaznat et l'EPFL dans le cadre d'un projet Innosuisse; il a une capacité de 0.7 kgCH4/h et est intégré dans un poste de détente et comptage existant. Les prochaines étapes qui font partie de la proposition actuelle sont (1) la mise à l'échelle à une capacité de 16 kgCH4/h, ce qui correspond à une puissance de 225 kW sur le pouvoir calorifique supérieur du méthane, (2) développer une méthode de synthèse et optimiser la composition du catalyseur et (3) la certification du système selon tous les codes pertinents de manière à ouvrir la voie à la commercialisation de la technologie. Le réacteur nouvellement développé fait partie d'un projet plus vaste présentant la chaîne technologique complète de la production photovoltaïque, la capture de CO2 et la production de H2 allant jusqu' à la méthanisation. Le système sera installé sur le site de Gaznat à Aigle.
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Rapport final
(Allemand)
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Das Ziel des Projekts ist die Hochskalierung und Industrialisierung eines neuen Methanisierungsreaktors mit hoher Effizienz. Die Zielgröße des zu entwickelnden Methanisierungsreaktors beträgt 16 kg CH4/h. Es handelt sich um die dritte Iteration eines seit 2016 am Laboratoire des Matériaux pour les
Énergies Renouvelables (LMER) der EPFL Valais / Wallis initiierten Entwicklungsprozesses. Der erste Prototyp verfügt über eine Kapazität von 0,1 kg CH4/h und wurde innerhalb eines technologischen Demonstrators der EPFL betrieben. Der zweite Prototyp wurde gemeinsam von Gaznat und der EPFL im Rahmen eines Innosuisse-Projekts entwickelt; er hat eine Kapazität von 0,7 kg CH4/h und ist in eine bestehende Druckreduktions- und Messstation integriert, die von Gaznat betrieben wird. Zur Erinnerung, die Schritte, die Teil des laufenden Projekts sind, umfassen: (1) die Skalierung auf eine Kapazität von 16 kg CH4/h, was einer Leistung von 225 kW bezogen auf den oberen Heizwert von Methan entspricht; (2) die Entwicklung einer Synthesemethode und die Optimierung der Katalysatorzusammensetzung sowie; (3) die Zertifizierung des Systems gemäß allen relevanten Anforderungen mit dem Ziel, den Weg für die Kommerzialisierung der Technologie zu ebnen. Der neu entwickelte Reaktor ist Teil des GreenGas-Projekts, das von Gaznat an seinem Standort in Aigle durchgeführt wird. Das Projekt besteht aus einem neuen Energiekonzept, um den Bedarf des Standorts zu decken, aber auch um CO2-neutrales Synthesegas aus Photovoltaikstrom zu erzeugen. Es wird eine Power-to-Gas-Anlage entwickelt, die aus einem Elektrolyseur und dem Reaktor (Gegenstand des vorliegenden Berichts) besteht. Ebenso ist die Abscheidung von CO2 durch innovative Graphenmembranen ein integraler Bestandteil des GreenGas-Projekts. Stand des Projekts und Perspektiven: Nach dem Abschluss der detaillierten Auslegungs- und Konstruktionsphase wurden sämtliche mechanischen, hydraulischen, elektrischen und Automatisierungskomponenten im August 2023 gefertigt, zusammengebaut und am Standort Aigle installiert. Die ersten Testkampagnen wurden im Oktober 2023 erfolgreich durchgeführt. Die durchgeführten Tests ermöglichten die Validierung mehrerer grundlegender Aspekte des Systems:
• Ein stabiler Betrieb der Regelung wurde erreicht (Druck: 10 bar, optimale Temperatur: 250–300 °C, kontrollierter H2-Durchfluss zwischen 2 und 8 kg/h) sowie ein schneller Kaltstart des Reaktors innerhalb von 90 Minuten.
• Der entwickelte Katalysator (0,8 Gew.-% Ru / 99,2 % Al2O3) zeigte bei 235 °C und 1 bar einer aktivität von 0,17 μmol CH4 / g?Kat.? / s und behielt seine Leistung auch nach 400 Stunden kontinuierlichen Betriebs bei.
• Die Versuche am großtechnischen Reaktor ergaben eine maximale CO2-Umwandlung von 60%, die aufgrund eines mechanischen Fehlers, welcher den Gasdurchsatz durch das Katalysatorbett einschränkte, unter dem Zielwert blieb.
• Die Produktionskosten des synthetischen Methans hängen hauptsächlich von der Energiequelle und dem Strompreis für die Elektrolyse des Wasserstoffs ab. Je nach Art der eingesetzten Energie variiert der Preis zwischen 1,53 und 13,45 CHF·kg?¹ CH4.
• Die vollständige Zertifizierung, einschließlich der CE-Konformität von Konstruktion und Herstellung, bestätigt die technische Reife und Marktfähigkeit des Systems. Darüber hinaus ermöglichten diese Tests auch die Identifizierung bestimmter notwendiger Optimierungen auf Ebene der mechanischen Konstruktion und der Fertigungsprozesse, um maximale Zuverlässigkeit unter langfristigen Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Auf Grundlage der erzielten Ergebnisse befindet sich derzeit eine Phase der Modifikation und Verfeinerung des Reaktors in Arbeit. Eine neue, optimierte Version des Systems wird in Kürze eingesetzt, um eine zweite Testreihe durchzuführen, mit den Zielen:
• Endgültige Validierung der Langzeitleistung;
• Detaillierte Analyse der Produktions- und Betriebskosten;
• Vorbereitung der Standardisierungs-, Zertifizierungs- und behördlichen Zulassungsverfahren;
• Bewertung der Zielmärkte, insbesondere für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energiespeicherung, Power-to-Gas und industrielle CO2-Verwertung.
Die bisher erzielten Ergebnisse lassen auf ein technologisches und wirtschaftliches Potenzial der entwickelten Lösung schließen. Das Konsortium bleibt voll engagiert, um die Fortsetzung des Projekts bis zur Industrialisierung und mittelfristigen Kommerzialisierung sicherzustellen.
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Rapport final
(Anglais)
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The aim of the project is to scale up and industrialize a new high-efficiency methanation reactor. The target size of the methanation reactor to be developed is 16 kg CH4/h. This is the third iteration of a development process initiated in 2016 at the Materials for Renewable Energies Laboratory (LMER) at EPFL Valais / Wallis. The first prototype has a capacity of 0.1 kg CH4/h and has been operated within an EPFL technology demonstrator. The second prototype was developed jointly by Gaznat and EPFL as part of an Innosuisse project; it has a capacity of 0.7 kg CH4/h and is integrated into an existing expansion and metering station operated by Gaznat. As a reminder, the steps involved in the current project are (1) scaling up to a capacity of 16 kg CH4/h, which corresponds to an output of 225 kW on the higher calorific value of methane, (2) developing a synthesis method and optimizing the catalyst composition, and (3) certifying the system to all relevant requirements in order to pave the way for commercialization of the technology. The newly-developed reactor is part of the GreenGas project, led by Gaznat at its Aigle site. The project consists of a new energy concept to cover the needs of the site, as well as the production of CO2-neutral syngas from photovoltaic electricity. A Power-to-Gas installation, comprising an electrolyser and the reactor (the subject of this report), is being developed. CO2 capture using innovative graphene membranes is also an integral part of the GreenGas project. Project Status and Perspectives: Following the completion of the detailed design and engineering phase, all mechanical, hydraulic, electrical, and automation components have been manufactured, assembled, and installed at the Aigle site in August 2023. The first was carried out in October 2023. The tests conducted have validated several fundamental aspects of the system:
• A stable control operation was achieved (pressure: 10 bar, optimal temperature: 250–300 °C, controlled H2 flow between 2 and 8 kg/h), along with a rapid cold start of the reactor within 90 minutes;
• The developed catalyst (0.8 wt% Ru / 99.2 % Al2O3) exhibited an activity of 0.17 μmol CH4 / gcata / s at 235 °C and 1 bar, maintaining excellent stability after 400 hours of continuous operation;
• Large-scale reactor trials achieved a maximum CO2 conversion of 60%, which remained below the target due to a mechanical issue restricting gas flow through the catalytic bed.
• The cost of synthetic methane primarily depends on the energy source and the electricity price used for hydrogen electrolysis. Depending on the type of energy, the methane production cost ranges from 1.53 to 13.45 CHF·kg?¹ CH4.
• Finally, full certification, including CE conformity of design and manufacturing, confirms the system’s technical maturity and readiness for commercialization.
In addition, these tests also made it possible to identify certain optimizations required at the level of mechanical design and manufacturing processes, in order to ensure maximum reliability under longterm operating conditions. Based on the results obtained, a phase of modifications and refinement of the reactor is currently underway. A new optimized version of the system will soon be deployed in order to carry out a second series of tests, with the objectives of:
• Final validation of long-term performance;
• In-depth analysis of production and operating costs;
• Preparation of standardization, certification, and regulatory compliance procedures;
• Assessment of target markets, including renewable energy storage, power-to-gas applications, and industrial CO2 valorization.
The results obtained so far indicate the technological and economic potential of the solution developed. The consortium remains fully committed to ensuring the continuation of the project through industrialization and medium-term commercialization.
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Rapport final
(Français)
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L'objet du projet est la mise à l'échelle et l'industrialisation d'un nouveau réacteur de méthanation à haute efficacité. La taille cible du réacteur de méthanation à développer est de 16 kg CH4/h. Il s'agit de la troisième itération d'un processus de développement initié en 2016 au Laboratoire des Matériaux pour les Énergies Renouvelables (LMER) de l'EPFL Valais / Wallis. Le premier prototype a une capacité de 0,1 kg CH4/h et a été exploité au sein d'un démonstrateur technologique de l’EPFL. Le deuxième prototype a été développé conjointement par Gaznat et l'EPFL dans le cadre d'un projet
Innosuisse ; il a une capacité de 0,7 kg CH4/h et est intégré dans un poste de détente et comptage existant, exploité par Gaznat. Pour rappel, les étapes qui font partie du projet en cours sont (1) la mise à l'échelle à une capacité de 16 kg CH4/h, ce qui correspond à une puissance de 225 kW sur le pouvoir calorifique supérieur du méthane, (2) développer une méthode de synthèse et optimiser la composition du catalyseur et (3) la certification du système selon toutes les exigences pertinentes en la matière dans le but d’ouvrir la voie à la commercialisation de la technologie. Le réacteur nouvellement développé est intégré dans le projet GreenGas, conduit par Gaznat sur son site à Aigle. Ledit projet consiste en un nouveau concept énergétique pour couvrir les besoins du site, mais aussi la production de gaz de synthèse neutre en CO2, à partir d’électricité photovoltaïque. Une installation Power-to-Gas, composé d’un électrolyseur et du réacteur (objet du présent rapport), y est développé. De même, la capture du CO2 par des membranes en graphène novatrices fait partie intégrante du projet GreenGas. État d’avancement et perspectives du projet : Après l’achèvement de la phase de conception détaillée et de dimensionnement technique, l’intégralité des équipements mécaniques, hydrauliques, électriques et d’automatisation a été fabriquée, assemblée et installée sur le site d’Aigle en août 2023. Les premières campagnes de tests ont été réalisées avec succès en octobre 2023. Les essais menés ont permis de valider plusieurs aspects fondamentaux du système :
• Un fonctionnement stable de la régulation (pression : 10 bars, température optimale : 250–300 °C, débit d’H2 maîtrisé entre 2 et 8 kg/h) et une mise en service rapide (démarrage à froid du réacteur en 90 minutes).
• Le catalyseur développé (0,8 wt% Ru / 99,2 wt% Al2O3) présente une activité de 0.17μmolCH4 / gcata / s à 235 °C et 1 bar, ainsi qu’une excellente stabilité après 400 h de fonctionnement continu.
• Les essais du réacteur à grande échelle ont montré une conversion maximale du CO2 de 60 %, valeur encore inférieure à la cible en raison d’une erreur mécanique limitant le passage des gaz à travers l’ensemble du lit catalytique.
• Le coût du méthane synthétique dépend principalement de la source et du prix de l’électricité utilisée pour l’électrolyse de l’hydrogène. Selon le type d’énergie employée, le prix du méthane de synthèse varie ainsi entre 1,53 et 13,45 CHF·kg?¹ CH4
• Enfin, la certification complète, incluant la conformité CE de la conception et de la fabrication, confirme la préparation du système à une phase de commercialisation.
Par ailleurs, ces essais ont également permis d’identifier certaines optimisations nécessaires au niveau de la conception mécanique et des processus de fabrication, en vue de garantir une fiabilité maximale dans des conditions d’exploitation prolongée. Sur la base des résultats obtenus, une phase de modifications et de perfectionnement du réacteur est en cours. Une nouvelle version optimisée du système sera prochainement déployée afin de conduire
une seconde série d’essais, avec pour objectifs :
• La validation définitive des performances à long terme ;
• L’analyse approfondie des coûts de production et d’exploitation ;
• La préparation des démarches de standardisation, de certification et de mise en conformité réglementaire ;
• L’évaluation des marchés cibles, incluant les applications de stockage d’énergie renouvelable, de power-to-gas et de valorisation industrielle du CO2.
Les résultats obtenus jusqu’à présent laissent entrevoir un potentiel technologique et économique de la solution développée. Le consortium demeure pleinement mobilisé pour assurer la poursuite du projet jusqu’à son industrialisation et sa commercialisation à moyen terme.
Documents annexés
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