In times of climate change, it is crucial to increase the usage of renewable energy and energy storage technologies. One possibility to convert and store energy is by generating renewable synthetic natural gas (SNG) from bio-syngases or syngases containing hydrogen from electrolyzers (Power-to-Gas process), which can be fed into the existing natural gas grid. The exothermic catalytic methanation reaction in a fixed bed reactor is therefore analyzed experimentally. For a new research project, BioCORE, which envisions a system design using a reversible solide oxide fuel cell to convert biogas either into electricity or into SNG, suitable reactor setups for methanation are identified. Five different reactor setups are tested and compared with each other, using different operating conditions and a variety of feed gas mixtures, inter alia two calculated gas compositions for the BioCORE project. The five reactor setups consist of a combination of three reactor pipe geometries—a straight, a structured and a thin straight reactor pipe—, and different types of Ni/γAl2O3 catalyst beds, e.g. a pure 25 % Ni, a pure 40 % Ni or a diluted catalyst bed containing a fifty-fifty mixture of 25 % Ni and inert pellets. For the validation of the experimental results, the existing thermodynamic process simulation in AspenPlus V8.8 is modified and applied. The new structured reactor pipe is shown to be the most promising reactor geometry, as it leads to a significantly higher CH4 output and reduced hotspot size and temperature than the previously used standard straight reactor pipe. This behavior is attributed to the structured geometry, which increases the radial gas flow mixing and the influence of the cooling system. The pure 25 % Ni/γAl2O3 catalyst bed is identified as the preferred option for the investigated setup, as its higher availability outweighs its marginally reduced activity. For multi-stage methanation processes, a combination of the three catalyst bed types is recommended, e.g. low activity beds for the front stages and high activity beds for the rear stages. The characterization of the two calculated gas compositions of the BioCORE project reveals a risk for catalyst deactivation due to sintering, as hotspot temperatures over 600 ◦C are measured. Hence, hotspot decreasing measures are crucial for a safe reactor operation. Since for both gas mixtures, the thermodynamic equilibrium is not fully reached by the reactor outlet, a second reactor stage is recommended to further increase the conversion and CH4 output. This is confirmed experimentally in an emulated series connection. Regarding the alternating operation between both gas mixtures, longer transition times must be taken into account as steam shocks may occur. The results of this thesis provide guidance for future research on reactor design optimization to further enhance the process efficiency. Moreover, the insights on the methanation process in the investigated fixed bed reactor pose an important reference point for a novel 3D heterogeneous CFD model currently in development.     «

In times of climate change, it is crucial to increase the usage of renewable energy and energy storage technologies. One possibility to convert and store energy is by generating renewable synthetic natural gas (SNG) from bio-syngases or syngases containing hydrogen from electrolyzers (Power-to-Gas process), which can be fed into the existing natural gas grid. The exothermic catalytic methanation reaction in a fixed bed reactor is therefore analyzed experimentally. For a new research project, Bio...     »

In Zeiten des Klimawandels ist es von entscheidender Bedeutung, den Einsatz von erneuerbaren Energien und Energiespeichertechnologien zu erhöhen. Eine Möglichkeit, Energie umzuwandeln und zu speichern, ist die Erzeugung von erneuerbarem synthetischem Erdgas (SNG) aus Biosyngasen oder wasserstoffhaltigen Syngasen aus Elektrolyseuren (Power-to-Gas-Verfahren), die in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden können. Die exotherme katalytische Methanisierungsreaktion in einem Festbettreaktor wird daher experimentell untersucht. Für ein neues Forschungsprojekt, BioCORE, welches ein Systemdesign mit einer reversiblen Festoxid-Brennstoffzelle vorsieht, um Biogas entweder in Strom oder in SNG umzuwandeln, werden geeignete Reaktoraufbauten für die Methanisierung identifiziert. Fünf verschiedene Reaktorkonfigurationen werden getestet und miteinander verglichen, wobei verschiedene Betriebsbedingungen und eine Vielzahl von Gasmischungen verwendet werden, u. a. zwei für das BioCORE-Projekt berechnete Gaszusammensetzungen. Die fünf Reaktoraufbauten bestehen aus einer Kombination von drei Reaktorrohrgeometrien - einem geraden, einem strukturierten und einem dünnen geraden Reaktorrohr - und verschiedenen Arten von Ni/γAl2O3-Katalysatorbetten, z. B. ein reines 25 % Ni, ein reines 40 % Ni oder ein verdünntes Katalysatorbett mit einer Mischung aus 25 % Ni und inerten Pellets. Zur Validierung der experimentellen Ergebnisse wird die bestehende thermodynamische Prozesssimulation in AspenPlus V8.8 modifiziert und angewendet. Das neue strukturierte Reaktorrohr erweist sich als die vielversprechendste Reaktorgeometrie, da es zu einem deutlich höheren CH4-Ausstoß und einer geringeren Hotspotgröße und -temperatur führt als das zuvor verwendete gerade Standardreaktorrohr. Dieses Verhalten wird auf die strukturierte Geometrie zurückgeführt, die die radiale Durchmischung des Gasstroms und den Einfluss des Kühlsystems erhöht. Das reine 25 % Ni/γAl2O3-Katalysatorbett wird als bevorzugte Option für den untersuchten Aufbau identifiziert, da seine höhere Verfügbarkeit seine geringfügig verringerte Aktivität aufwiegt. Für mehrstufige Methanisierungsprozesse wird eine Kombination der drei Katalysatorbetttypen empfohlen, z. B. Katalysatorbetten mit niedriger Aktivität für die vorderen Stufen und mit hoher Aktivität für die hinteren Stufen. Die Charakterisierung der beiden im Rahmen des BioCORE-Projekts berechneten Gaszusammensetzungen zeigt ein Risiko der Katalysatordeaktivierung durch Sinterung, da Hotspot-Temperaturen von über 600 ◦C gemessen wurden. Daher sind Maßnahmen zur Verringerung der Hotspot-Temperaturen für einen sicheren Reaktorbetrieb von entscheidender Bedeutung. Da bei beiden Gasgemischen das thermodynamische Gleichgewicht am Reaktorausgang nicht vollständig erreicht wird, wird eine zweite Reaktorstufe empfohlen, um den Umsatz und den CH4-Ausstoß weiter zu erhöhen. Dies wird experimentell in einer emulierten Reihenschaltung überprüft. Beim Wechselbetrieb zwischen beiden Gasgemischen sind längere Übergangszeiten zu berücksichtigen, da Dampfschläge auftreten können. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern Anhaltspunkte für zukünftige Forschungsarbeiten zur Optimierung des Reaktordesigns, um die Prozesseffizienz weiter zu verbessern. Darüber hinaus stellen die Erkenntnisse über den Methanisierungsprozess in dem untersuchten Festbettreaktor einen wichtigen Bezugspunkt für ein neuartiges heterogenes 3D-CFD-Modell dar, welches derzeit in Entwicklung ist.     «

In Zeiten des Klimawandels ist es von entscheidender Bedeutung, den Einsatz von erneuerbaren Energien und Energiespeichertechnologien zu erhöhen. Eine Möglichkeit, Energie umzuwandeln und zu speichern, ist die Erzeugung von erneuerbarem synthetischem Erdgas (SNG) aus Biosyngasen oder wasserstoffhaltigen Syngasen aus Elektrolyseuren (Power-to-Gas-Verfahren), die in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden können. Die exotherme katalytische Methanisierungsreaktion in einem Festbettreaktor wir...     »