Entwicklung eines Prozesses zur Methanolsynthese mit kontinuierlicher Produktabtrennung durch in-situ Sorption
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Abstract
Wind power plants and photovoltaic systems are unsteady energy producers. Depending on the daytime and weather, excess electric energy may be available from these sources that can be used for hydrogen generation from water by electrolysis. For efficient storage, hydrogen can be converted into a liquid energy carrier by an appropriate chemical synthesis process. But there are certain requirements for a decentralized, small scale chemical synthesis plant that is operated downstream of an electrolyzer. These requirements differ from the technical specifications of existing, state-of-the-art, large-scale processes. The applied system has to enable fast load ramps and partial load to cope with the fluctuating supply of reactants. Based on these requirements, different synthesis routes of various chemical products have been evaluated. From this assessment methanol turned out to be the most promising product for this application. The main aspect highlighted in this contribution is a novel reactor concept that avoids the traditionally used, inflexible recycle of large volumes of unreacted gas. It is assumed that such a large gas recycle is impractical for dynamic operation and should be replaced under the here regarded scenario by a more sophisticated way to deal with the unfavourable equilibrium of CO2 hydrogenation. In this context, an in-situ separation of methanol from the reaction volume is proposed to shift thermodynamic limits. Thus, several requirements on the in-situ sorbent for product uptake result: solubility of liquid products of the methanol synthesis, stability under reaction conditions, low vapor pressure for an easy product separation, and recyclability. Certain ILs can meet the listed requirements. The most promising sorbent for the uptake of methanol is [P1444][NTf2]. By adding Li[NTf2] the sorption capacity for water that is formed as a coproduct in the methanol synthesis from H2 and CO2 can be significantly improved.
Abstract
Windkraft- und Photovoltaikanlagen sind unstetige Energieerzeuger. Je nach Tageszeit und Wetter steht aus diesen Quellen überschüssige elektrische Energie zur Verfügung, die nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann. Diese kann dazu genutzt werden, mittels Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff zu erzeugen. Für eine effizientere Speicherung muss Wasserstoff durch einen geeigneten chemischen Syntheseprozess in einen flüssigen Energieträger umgewandelt werden. Es gibt jedoch bestimmte Anforderungen an eine dezentrale chemische Syntheseanlage, die nach einem Elektrolyseur betrieben wird. Diese Anforderungen unterscheiden sich von den technischen Spezifikationen bestehender, großtechnischer Verfahren. Das eingesetzte System muss schnelle Lastrampen und Teillast ermöglichen, um mit der schwankenden Zufuhr von Edukten umgehen zu können. Ausgehend von diesen Anforderungen wurden Synthesewege verschiedener chemischer Produkte evaluiert. Dabei stellte sich Methanol als das aussichtsreichste Produkt für diese Anwendung heraus. Die zentrale Rolle in dieser Arbeit spielt die Entwicklung eines neuen Reaktorkonzepts, bei dem die herkömmliche, unflexible Rückführung großer Mengen nicht umgesetzten Gases vermieden wird. Denn eine derartige Rückführung eignet sich nicht für den dynamischen Betrieb. Für den Umgang mit dem Gleichgewicht der CO2-Hydrierung und um schließlich die thermodynamischen Grenzen zu verschieben, wird eine in-situ Abtrennung von Methanol aus dem Reaktionsvolumen realisiert. Das verwendete in-situ Sorptionsmittel muss dabei gewisse Eigenschaften zeigen: Löslichkeit für die flüssigen Produkte der Methanolsynthese, Stabilität unter Reaktionsbedingungen, niedriger Dampfdruck für eine einfache Produkttrennung und Recyclingfähigkeit. Bestimmte ILs können die aufgeführten Anforderungen erfüllen. Das aussichtsreichste Sorptionsmitttel für die Aufnahme von Methanol ist [P1444][NTf2]. Durch die Zugabe von Li[NTf2] kann die Sorptionskapazität des Sorptionsmittels für Wasser, das als Nebenprodukt bei der Methanolsynthese aus H2 und CO2 entsteht, deutlich verbessert werden.
