60 h Dauertest mit unserer Power-to-Gas Anlage

Auf der HEPP-Anlage (High Efficiency Power-to-Methane Pilot) betreibt das IET Institut für Energietechnik Forschung und Entwicklung im Bereich Power-to-Gas, Power-to-X.

Im Jahr 2021 wurden auf der HEPP-Anlage diverse Forschungsaktivitäten durchgeführt. Besonders den Dauertest im September möchten wir hervorheben, bei dem die HEPP-Anlagen über 60 h im 12 h Schichtbetreib gefahren wurde. Die Ergebnisse des Dauertests wurden an den Expertinnen- und Expertengesprächen Power-to-X Ende September präsentiert.

Was ist denn schon besonders an einem 60 h Dauertest mit einer Power-to-Gas Anlage?

Alles und nichts.

Die HEPP-Anlage ist eine Forschungsanlage, die Anlagensteuerung ist auch dementsprechend für Forschung ausgelegt. Soll heissen die Steuerung bietet einen hohen Freiheitsgrad an einstellbaren Parametern mit nur wenigen automatisierten Abläufen. Viele Freiheitsgrade in der Anlagenbedienung bedeuten einen hohen personellen Aufwand. Für den 60 h Dauertest mussten (durften) jeweils im 12 h Schichtbetrieb zwei Personen vor Ort sein um die Anlage zu fahren und die Versuche durchzuführen.

Während des 60 h Dauertests wurden unterschiedliche Versuche durchgeführt:

  • Reaktorperformance-Tests: Bei welchen Betriebsbedingungen erzielt der katalytische Methanisierungsreaktor die höchsten Erträge.
  • Prozessrückführung des Permeatstroms von der Gasmembran, Optimierung der Betriebs- und Regelparameter.
  • Anfahrstrategie mit möglichst geringem "Off"-Gas Anteil, Optimierung der Betriebsweise um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

In diesem Artikel gehen wir nur auf die Versuche ein, welche die Anfahrstrategie betreffen,

Anfahrstrategie mit möglichst geringem "Off"-Gas Anteil

Erneuerbares Gas, welches ins Gasnetz eingespeist wird, muss in der Schweiz die Anforderungen der SVGW-Richtlinie G 13 1) erfüllen. Beim Betrieb einer Power-to-Methane-Anlage ist bei den An- und Abfahrprozessen ein besonderes Augenmerkmal auf die Gasqualität zu richten. Wird im Anfahrprozess zu viel OFF-Gas 2) über eine Fackel geleitet und verbrannt, hat das einen negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Die Versuche auf der HEPP-Anlage hatten das Ziel, eine optimale Anfahrstrategie zu finden und zu testen, um möglichst wenig Gas über die Fackel zu leiten.

1) Gaszusammensetzung für eine Uneingeschränkte Einspeisung: min 96 Vol.% CH4, max. 4 Vol.% CO2 und max. 2 Vol.% H2
2) OFF-Gas: Gas, welches nicht die für das Gasnetz vorgeschriebene Qualität erreicht, deswegen nicht eingespeist wird, sondern über eine Gas-Fackel verbrannt wird.

Abbildung 1: HEPP Anlagenschema – Anfahrstrategie, das Produktgas (grün) wird vor der Membrane ins Recycle-System umgeleitet. Der "Permeatstrom" (blau) wird über das Dreiweg-Regelventil XV-492 Recycle wieder dem Prozess zugeführt.

Wie kann der Off-Gas Anteil während des Anfahrprozesses minimiert werden?

Die Rückführung des Permeats kann dazu genutzt werden, das Gas während des Anfahrprozesses im Kreis zu führen und nicht an die Umgebung abzulassen bis die Anlage den gewünschten Betriebsmodus erreicht hat. Dies wurde, wie in Abbildung 1 dargestellt und beschrieben, während des Anlagenbetriebs im September 2021 getestet. Dabei wurde das Produktgas ins Recycle-System geleitet, bevor es die Membrane erreicht hat und der Behälter V-66 beigepasst, damit dieser auf einem tieferen Druckniveau verweilt. Die Messdaten-Verläufe sind in Abbildung 2 dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Um 05:12 Uhr wurde mit der Zudosierung vom Recycle-Gas begonnen. Da dieses bereits CO2 beinhaltete, wurde bereits Wasserstoff methanisiert, wodurch der Druck im Produktgas (und Recycle) zunächst wieder reduziert wurde. Dasselbe Phänomen trat kurz darauf auch auf, nachdem mit der Zudosierung von CO2 begonnen wurde. Um 05:22 Uhr war ein Systemdruck von 9 bar(ü) erreicht, womit das Produktgas auf die Membrane geleitet und das Ventil des Permeats zum Behälter V-66 geöffnet werden konnte, wodurch sich das Volumen stark vergrösserte und der Druck im Recycle-System dementsprechend auf unter 1 bar(ü) sank. Dadurch herrschten optimale Betriebsbedingungen für die Membrane und es dauerte nur anderthalb Minuten, bis die Gasqualität für die Netz-Einspeisung gemäss G 13 erreicht wurde. In diesem Zeitraum mussten weniger als 5 Gramm Methan an die Umgebung gelassen 3) werden. Dies ist ein hervorragendes Ergebnis. Bei industriellen Anlagen könnte somit der Fackelbetrieb in der Anfahrphase von 15 – 20 min auf ca. 2-3 min reduziert werden.

Ein besonderer Dank geht an das gesamte Power-to-Gas Team, welches durch sein Engagement und Durchhaltewille diesen 60 h Dauertest erst ermöglicht hat.

3)Die HEPP-Anlage als kleine Forschungsanlage verfügt nicht über eine Gas-Fackel

Abbildung 2: Messdatenaufzeichnung des Anfahrversuchs., Oben: Massenströme der Feed- und Produktgase Mitte: Volumenanteile im Produktgas der Methanisierung und dem Retentat. Unten: Systemdrücke und Reaktortemperatur.

Abbildung 3: HEPP-Forschungsplattform Rückansicht

Abbildung 4: HEPP-Forschungsplattform Innenansicht mit Methanisierungsreaktor.