CCU-HERO - Heat Recuperation from a Novel High Throughput CCU Reactor for CO2 and energy savings

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502994

Description succincte (Allemand)

Viele vielversprechende Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU) basieren auf thermischen Prozessen, bei denen Katalysatoren eingesetzt werden, um CO2 und grünen H2 in Energieträger wie CH4, CH3OH oder flüssige Brennstoffe umzuwandeln. Diese Reaktionen sind stark exotherm, weshalb das Wärmemanagement ein entscheidender Faktor bei der Konstruktion von Reaktoren und Prozessen ist, um die Kostenvorstellungen des Marktes zu erfüllen und die Nachhaltigkeit zu verbessern. Einerseits ist eine effektive Wärmeabfuhr unerlässlich, um thermodynamische Einschränkungen zu minimieren, eine Deaktivierung des Katalysators zu verhindern und die Produktselektivität aufrechtzuerhalten. Andererseits ermöglicht sie die Wärmerückgewinnung und -reintegration, z. B. zum Vorwärmen von Gasen oder zum Betrieb des CO2-Wäschers vor der CCU. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, ein innovatives Festbett-Katalysatorreaktordesign mit verbesserter interner Wärmeübertragung für einen optimalen isothermen Betrieb und eine effiziente Wärmeübertragung zu validieren. Das Design umfasst ein optimiertes internes Gasmisch- und Wärmeaustauschsystem und ist als vollständig skalierbares Konzept konzipiert, um einen Betrieb mit hohem Durchsatz in jeder industriellen Größe und Umgebung zu ermöglichen. Die Forschung wird Hochdurchsatztests, Wärmeintegrationsstrategien und experimentelle Validierungen unter Verwendung einer stark exothermen CO2-Hydrierungsreaktion als repräsentatives Modell für jeden CCU-Prozess kombinieren. Das Ergebnis wird ein skalierbares Reaktordesign sein, das die technischen und energieintegrativen Herausforderungen in CCU-Systemen der nächsten Generation angeht, um Kostensenkungen für erneuerbare Energien zu ermöglichen.

Description succincte (Anglais)

Many promising Carbon Capture and Utilisation (CCU) solutions are based on thermal processes that use catalysts to convert CO2 and green H2 into energy carriers such as CH4, CH3OH or liquid fuels. These reactions are highly exothermic, making thermal management a crucial key factor in reactor and process design, to meet market cost expectations and enhance sustainability. One the one hand, effective heat removal is essential to minimize thermodynamic limitations, prevent catalyst deactivation, maintain product selectivity and - on the other hand - enable heat recuperation and re-integration, e.g. preheating of gases or operate the CO2 scrubber prior CCU. Therefore, this project aims to validate an innovative fixed-bed catalytic reactor design featuring enhanced internal heat transfer for optimal isothermal operation and efficient heat transfer. The design includes an optimised internal gas mixing and heat exchange system and is engineered as fully scalable concept to enable support high-throughput operation in any industrial size and setting. The research will combine high-throughput tests, heat integration strategy, and experimental validation using highly exothermal CO2 hydrogenation reaction as a representing model for any CCU process. The outcome will be a scalable reactor design, addressing technical and energy integration challenges in next-generation CCU systems to enable cost reductions for renewables.

Description succincte (Français)

De nombreuses solutions prometteuses de capture et d'utilisation du carbone (CCU) reposent sur des procédés thermiques qui utilisent des catalyseurs pour convertir le CO2 et l'hydrogène vert en vecteurs énergétiques tels que le CH4, le CH3OH ou des combustibles liquides. Ces réactions sont hautement exothermiques, ce qui fait de la gestion thermique un facteur clé dans la conception des réacteurs et des procédés, afin de répondre aux attentes du marché en matière de coûts et d'améliorer la durabilité. D'une part, une évacuation efficace de la chaleur est essentielle pour minimiser les limitations thermodynamiques, empêcher la désactivation du catalyseur, maintenir la sélectivité du produit et, d'autre part, permettre la récupération et la réintégration de la chaleur, par exemple pour le préchauffage des gaz ou le fonctionnement du laveur de CO2 avant la CCU. Ce projet vise donc à valider la conception d'un réacteur catalytique à lit fixe innovant, caractérisé par un transfert de chaleur interne amélioré pour un fonctionnement isotherme optimal et un transfert de chaleur efficace. La conception comprend un système optimisé de mélange interne des gaz et d'échange thermique et est conçue comme un concept entièrement évolutif afin de permettre un fonctionnement à haut débit dans n'importe quelle taille et n'importe quel environnement industriel. La recherche combinera des tests à haut débit, une stratégie d'intégration thermique et une validation expérimentale utilisant une réaction d'hydrogénation du CO2 hautement exothermique comme modèle représentatif de tout processus CCU. Le résultat sera une conception de réacteur évolutive, répondant aux défis techniques et d'intégration énergétique des systèmes CCU de nouvelle génération afin de permettre une réduction des coûts des énergies renouvelables.