B Thermodynamik Im Vergleich zum reinen Prozessschema unterscheidet sich die Thermodynamik in der direkten Reformierung von Biogas aufgrund des hohen CO2-Anteils im Gas wesentlich. Kohlenstoffdioxid stellt dabei jedoch keine tote Komponente dar, sondern nimmt über die sogenannte Trockenreformation aktiv an der Wasserstoffbildung teil. Das thermodynamische Gleichgewicht ist daher bei den richtigen Anlagenparametern günstiger für einen höheren Umsatz als bei der reinen Methanreformierung. Abbildung 2 zeigt beispielhaft den Methanumsatz sowie die Wasserstoffausbeuten für Erdgas sowie Biogas mit 50 Prozent CH4 und 50 Prozent CO2 bei 10 bar über unterschiedliche Temperaturen. Wie in der spezifischen Wasserstoffausbeute zu erkennen ist, ist das Gleichgewicht durch den hohen CO2-Anteil im Eingangsgas im Vergleich zum Erdgas leicht benachteiligt, weshalb eine effiziente nachgeschaltete Shift-Stufe essenziell für hohe Erträge ist. Im Projekt BioH2Ref wurde daher vermehrt Fokus auf die thermische und kinetische Optimierung dieser Prozessstufe gelegt, die durch ein geschicktes Reaktorkonzept mit integriertem Wärmetausch das Kohlenmonoxid aus dem Reformat fast vollständig (< 2 Prozent Rest-CO) wandelt. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 500 600 700 800 900 Methanumsatz / – Temperatur / °C Biogas Erdgas 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 500 600 700 800 900 Ausbeute / molH2 molCH4 -¹ Temperatur / °C Biogas Erdgas Abb. 2: Methanumsatz und Wasserstoffausbeute bei thermodynamischem Gleichgewicht im primären Reformer Herausfordernd waren außerdem die Erreichung hoher Umsätze und Effizienzen bei gleichzeitiger Erfüllung der Reinheitsanforderungen, da der Prozess nicht nur von den thermodynamischen Bedingungen abhängig ist, sondern auch von katalysatorspezifischen Reaktionsraten, effizientem Wärmetausch und bestmöglicher Kopplung von Quellen und Senken. Modellprognosen Im Rahmen von BioH2Ref und dem Schwesterprojekt BioH2Log wurden vom Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik der RWTH Aachen, vom Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik der Technischen Universität München und von BtX energy eine Vielzahl von numerischen Reaktor- und Prozessmodellen verfasst. Für die Schaffung einer grundlegenden Erwartungshaltung wurde ein Gleichgewichtsmodell für die beiden Reaktoren in ein händisch programmiertes Prozessmodell integriert, das Wärmebereitstellung, Verluste sowie Kondensat und Druckwechseladsorption betrachtet. Das Prozessmodell konnte den Anlagenbetrieb in den meisten Fällen mit über 95 Prozent Genauigkeit vorhersagen, die prognostizierten und gemessenen Gaszusammensetzungen für einen Beispielparametersatz sind in Abbildung 3 dargestellt. CH₄ CO CO₂ H₂ Tailgas CH₄ CO CO₂ H₂ Shiftgas 0 10 20 30 40 50 60 70 CH₄ CO CO₂ H₂ Gasanteile / Vol.-% Reformat Modell Messung Abb. 3: Modellprognosen und Messdaten zur Gaszusammensetzung, Feed = 18 Nm³ h-¹, S/C = 3 B Quelle: BtX energy GmbH Quelle: BtX energy GmbH 31 energie | wasser-praxis 03/2025
RkJQdWJsaXNoZXIy ODQwNjM=