Bronkhorst
Applikationsbericht

Power-to-Gas

'Power-to-Gas' bezeichnet die Umwandlung von Elektrizität in Gas. Ein bekanntes Beispiel ist die Verwendung von Elektrizität für die Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht. Dieser Wasserstoff kann so wie er ist - z.B. zur Speisung von Brennstoffzellen - verwendet werden, aber er kann sogar noch weiter gehen. Reagiert der Wasserstoff anschließend mit Kohlendioxid zu Methan, kann dieses in das Erdgasnetz eingespeist werden. In Ländern wie Deutschland und den Niederlanden gibt es eine bestehende Infrastruktur für den Transport von Erdgas in Leitungen vom Ort der Gewinnung oder Verarbeitung zum Ort der Nutzung - für die Zentralheizung in Häusern oder für den Herd in der Küche.
 
Es gibt mehrere deutsche Unternehmen, die Technologien entwickeln, in denen Bakterien Methan produzieren. Als „Nahrung“ dient den Bakterien Kohlendioxid und Wasserstoff. Dies kann als eine natürliche Power-to-Gas-Anwendung zur Speicherung von Ökostrom und auch als eine Aufbereitungstechnologie für Prozessgase, die Kohlendioxid (CO2) enthalten, angesehen werden. Natur trifft Technik! Das Methan (CH4) soll in das bereits vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden. Anwender baten den Bronkhorst-Partner Wagner Mess- und Regeltechnik um die Lieferung von Massendurchflussmessgeräten, um die Bakterien mit ausreichend Wasserstoff und CO2 versorgen zu können.
 

Natürliches Power-to-Gas

Anwendungsanforderungen

Ein Hauptziel der Forscher ist es, die Effizienz der Bakterien bei der Umwandlung von Wasserstoff in Methan zu optimieren. Das Verfahren wird zunächst im kleinen Maßstab getestet, um die optimale Bakterienart zu entwickeln. Optimierungsparameter für diesen Prozess sind H2- und CO2-Durchfluss, Art der Bakterien, Temperatur und Druck. Dazu wird eine Lösung benötigt, um Wasserstoff (und Kohlendioxid) genau und reproduzierbar dem bakterienhaltigen Reaktionsgefäß zuzuführen.

Wichtige Aspekte

  • Reproduzierbarkeit
  • Betrieb unter ATEX-Bedingungen der Zone 2
  • Automatisierung


Prozesslösung

Die Bronkhorst-Lösung zur Versorgung des Reaktionsgefäßes mit Wasserstoff besteht aus einem IN-FLOW-Gas Massendurchflussregler mit einer typischen Durchflussrate im Bereich von 10 bis 50 ln/min Wasserstoff. Der Reaktorbehälter wird unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von 65 °C und Drücken zwischen 1 und 10 bar betrieben. Die meisten Bakterienarten fühlen sich bei atmosphärischem Druck am wohlsten, andere dagegen bevorzugen einem höheren Druck. Die Bakterien metabolisieren Wasserstoff und Kohlendioxid und wandeln sie in Methan um. Das Labor, in dem die Experimente durchgeführt werden, ist als explosionsgefährdeter Bereich der ATEX-Zone 2 klassifiziert, daher benötigen die Geräte eine Zulassung nach ATEX-Zone 2.
 
Das Bronkhorst-Instrument wird über Profibus gesteuert. Ein Sollwert wird vorgegeben, und der Istwert wird gemessen und aufgezeichnet. Die Testwerte werden dokumentiert. Experimente laufen in der Regel 48 Stunden lang, und Automatisierung ist hier wichtig. Wenn ein Fehler auftritt, wie z.B. eine gravierende Abweichung zwischen Soll- und Istwert, müssen Maßnahmen ergriffen werden - auch über Nacht. Der Vorteil elektrisch gesteuerter Massendurchflussregler besteht darin, dass die Wasserstoffzufuhr im Falle eines Ausfalls oder Notfalls einfach und ohne menschlichen Eingriff gestoppt werden kann.

Durchfluss Schema Power-to-Gas
Durchfluss Schema

Um zu bestimmen, unter welchen Bedingungen die Bakterien am besten metabolisieren, ist die Reproduzierbarkeit der Testergebnisse und damit die Genauigkeit aller Parameter wichtig, dies gilt auch für die Massendurchflussregler.
 
Obwohl das Prozessschema mit zwei einströmenden Gas Durchflüssen, einem auf einem bestimmten Wert gehaltenen Druck und einem ausströmenden Gasstrom recht einfach aussieht, ist eine gewisse End-of-Pipe-Verarbeitung erforderlich. Auf der Rückseite verlässt ein feuchter Methanstrom das bakterienhaltige Gefäß, der unter anderem HCl im ppm-Bereich enthält, das die Transportleitungen beschädigt und ebenso wie andere Nebenprodukte der Metabolisierung entfernt werden muss. Zuletzt muss Mercaptan hinzugefügt werden, um dem Erdgas seinen unverwechselbaren Geruch zu verleihen. Dann ist das Gas bereit, in das Erdgasnetz eingespeist zu werden.
 

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