Definition des Technologiefeldes

Power-to-Gas (PtG) ist ein Lösungsansatz zur (saisonalen) Speicherung erneuerbarer Energie. Fluktuierend anfallende Elektrizität aus erneuerbarer Energie, insbesondere aus Windkraft und Photovoltaik, dient im PtG-Prozess zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff, der mit CO2 in einem Synthesereaktor zu Methan (CH4), dem Hauptbestandteil von Erdgas, konvertiert und als Erdgassubstitut (SNG, Substitute Natural Gas) in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Der PtG-Prozess bietet die Option der Konvergenz von Stromnetz und Gasnetz zu einem integrierten Gesamtsystem für die bedarfsgerechte Bereitstellung und Speicherung von Energie. SNG kann in modernen Gas- und Dampf-Kraftwerken oder in dezentralen Blockheizkraftwerken zu Strombedarfszeiten rückverstromt werden, in der Industrie zum Einsatz kommen oder als Kraftstoff – zum Beispiel als „e-gas“ in der Mobilität – Verwendung finden. Die zentralen Prozesskomponenten einer PtG-Anlage sind die Wasserelektrolyse und die Methanisierung. Zur Methanisierung von Kohlenstoffoxiden können unterschiedliche Reaktorsysteme zur Anwendung kommen. Differenziert wird dabei nach Festbett-, Wirbelschicht- und Drei-Phasen-Reaktoren. Eine weitere Form ist die mikrobiologische Methanisierung (diese wird in Technologiebericht 4.2b: Power-to-gas (Methanisierung biologisch) gesondert betrachtet).

Festbettreaktoren sind in der chemischen Industrie weit verbreitet. Die Umsetzung der Edukte erfolgt dabei mittels heterogener Katalyse an der Oberfläche eines Katalysators, welcher als Schüttung in den Reaktionsraum eingebracht wurde. Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzgebiete gibt es vielfältige Reaktortypen, die grundsätzlich zur Methansynthese im Rahmen des PtG-Verfahrens eingesetzt werden können. Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen adiabatisch und nicht-adiabatisch betriebenen Reaktorsystemen. Der Festbett-Rohrbündelreaktor stellt dabei den ältesten und immer noch vorherrschenden Vertreter der Reaktorklassifikation dar.

Bei Wirbelschichtreaktoren erfolgt die Methanisierung in einem katalytischen Wirbelbett. Dabei wird das Bettmaterial (Katalysator) durch die einströmenden Edukte fluidisiert. Die intensive Bewegung und gleichmäßige Verteilung des Katalysators ermöglicht hohe Wärmeübertragungsraten und homogene Reaktionsbedingungen im gesamten Rektionsraum. Durch einen Wärmeübertrager im Wirbelbett kann die Reaktionswärme der exothermen Methanisierungsreaktion abgeführt werden und damit nahezu isotherme Bedingungen im Reaktor erzeugt werden.

Zur Umsetzung der Methanisierung in Drei-Phasen-Reaktoren (Suspensionsreaktor) wird der Katalysator in einem temperaturstabilen Wärmeträgermedium suspendiert und durch den Edukt-Gasstrom fluidisiert. Die freiwerdende Reaktionswärme wird dabei auf den zirkulierenden Kühlmedienstrom (Wärmeträger) übertragen. Durch Wärmeabgabe der Flüssigphase an interne oder externe Kühlflächen erfolgt die eigentliche Kühlung des Reaktorsystems. Zusätzlich kann das Wärmeträgermedium auch verdampft werden. Somit kann eine zuverlässige thermische Kontrolle des Systems bis hin zu einem isothermen Betrieb erreicht werden.

Aktueller Stand der Technologie

Entgegen der „klassischen“, industriell genutzten Technologie zur Methanisierung von Synthesegasen (CO, H2) besteht bei der Methansynthese im Rahmen des PtG Verfahrens (CO2, H2) eine besondere Herausforderung an die Reaktionsführung. Die Wärmekontrolle bzw. die Wärmeabfuhr nimmt eine zentrale Rolle bei der technischen Umsetzung von Methanisierungsverfahren ein.

Der Festbettreaktor (TRL: 8) stellt dabei die am häufigsten eingesetzte bzw. untersuchte Reaktortechnologie dar. Adiabate Schüttbettreaktoren werden vorwiegend in mehrstufigen Verschaltungsweisen mit Zwischenkondensation und Temperaturgefälle ausgeführt, um eine hohe Methanausbaute zu erzielen. Zur Limitierung der Prozesstemperatur wird die Rückführung von Produktgasen angewandt und damit die Verschiebung des Gleichgewichtes hin zur Eduktseite erwirkt. Aber auch der Einsatz von in Reihe verschalteten, adiabaten Reaktoren mit Katalysatoren unterschiedlicher Aktivität (Nickel-Anteil, Aktivkomponente) wurde untersucht. Eine besondere Bauform eines adiabaten Festbettreaktors zur Methanisierung von Kohlendioxid mittels elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs stellt der Hordenreaktor dar. Bei dieser Bauweise werden die verschiedenen adiabaten Stufen, inklusive Zwischenkühlung zur Minderung der Edukt-Gastemperatur der einzelnen Stufen, in einem Reaktorturm realisiert. Bei nicht-adiabaten Festbettreaktorsystemen zur Methansynthese wird der Katalysator (Schüttung oder auch Wabenstruktur) über in das Katalysatorbett eingebrachte Wärmeüberträgerflächen „temperiert“. Zur Temperierung werden verschiedene Medien wie Salzschmelze, Druckwasser, Thermalöle oder auch Gase (nur in Laborreaktoren) eingesetzt. Die Bauformen der untersuchten bzw. entwickelten wandgekühlten Festbettreaktoren sind vielfältig. In Forschungsanlagen kommen vorwiegend einfache Rohrreaktoren mit Doppelmantel zum Einsatz, welche als Rohrbündelreaktor skaliert werden können. Eine weitere spezielle Bauform nichtadiabater, gekühlter Festbettreaktoren stellt der Plattenreaktor dar.

Das Prinzip eines Wirbelschichtreaktors (TRL: 6) unterscheidet sich stark vom dem eines Festbettreaktors, da hier die Katalysatorpartikel durch das Eduktgas fluidisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass örtliche Überhitzungen (Hot-Spots) vermieden werden können. Der Aufbau des Verfahrens ist mit nur einem Reaktor relativ einfach. Im Reaktor befindet sich ein Wärmeübertrager, der die Reaktionswärme über ein Kühlmedium (z. B. Wasser) aufnimmt und abführt. Wirbelschichtreaktoren sind sehr gut für den Gr0ßbetrieb von heterogen katalysierten Reaktionen mit starker Exothermie geeignet. Die gute Durchmischung des fluidisierten Materials (Katalysator) erzeugt dabei annähernd isotherme Verhältnisse im Reaktor, wodurch eine einfache Kontrolle der Operationsbedingungen ermöglicht wird. Durch die effektive Abfuhr der Reaktionswärme ist es möglich, einen hohen Umsatzgrad in nur einem Reaktor zu erzielen.

Drei-Phasen-Reaktoren (TRL: 4) werden grundsätzlich nach dem Bewegungszustand des Feststoffes (Katalysators) eingeteilt (Festbett-, Wirbelschicht- und Suspensionsreaktoren). Dabei eignen sich insbesondere Suspensionsreaktoren, speziell BlaTechnologiebereich 4: Technologien für die Sektorenkopplung (PtX) Technologien für die Energiewende – Politikbericht WI, ISI, IZES (Hrsg.) | 101 senreaktoren, zur Methanisierung von Kohlenoxiden. Der pulverförmige Methanisierungskatalysator wird bei dieser Bauart in einer temperaturstabilen Flüssigkeit (z. B. Öl) suspendiert und durch den Gasstrom indirekt fluidisiert. Neben einer guten Temperaturkontrolle weist der Reaktortyp durch die kleinen Katalysatorpartikel eine Minderung der Porendiffusionshemmung auf, was sich vorteilig auf das Umsatzverhalten auswirkt. Es sind verschiedene Bauarten von Blasensäulenreaktoren bekannt.

Quellen