Development of Biogas-Based Power-to-Methane Technology

Brian Dahl Jønson

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

29 Downloads (Pure)

Abstrakt

Den nuværende klimasituation kræver løsninger, som vil mindske og hjælpe mod de drivhusgasser som der udledes verden over. Drivhusgasserne fanger varmen og vil dermed sørge for at verdenstemperaturen forøges. Udledningen af drivhusgasser stiger årligt grundet det forøget forbrug af fossile brændstoffer: kul, olie, og naturgas som udleder store mængder kuldioxid (CO2), der fanges i atmosfæren hvor koncentrationen stiger årligt. Udover dette, har den igangværende krig imellem Ukraine og Rusland haft stor indflydelse på forsyningen af naturgas, da store mængder kom fra Rusland men nu er blevet begrænset til EU. Derfor er der brug for energiløsninger som kan udnytte CO2’en til at producere grønne brændstoffer der kan hjælpe med forsyningen af energi samt sænke forbruget af fossile brændstoffer.
Denne PhD afhandling var udført i et EUDP støttet projekt, eFuel [Project ID 64018-0559]. Projektet var et samarbejde mellem Det Tekniske fakultet på Syddansk Universitet, Nature Energy A/S, Danmarks Tekniske Universitet og Biogasclean A/S. Fokusområdet for denne afhandling en biologisk teknologi som kan udnytte CO2 til at producere metan (CH4). CO2’enkommer direkte fra den rå biogas, som ikke har været opgraderet, og dermed ville teknologien bevise at den kan implementeres på et nuværende biogasanlæg. Teknologien der blevundersøgt, hedder biologisk metanisering (biometanisering) hvori metanogener udnyttes til at omdanne CO2 med brint (H2) til CH4. Dette blev gjort i et triklefilter, og der blev igennemafhandlingen brugt forskellige størrelser, fra 0.3 til 8 L i laboratoriestørrelser, til et pilotanlæg på to filtre á 1000 L. Resultaterne fundet under laboratorieforsøgene blev senere verificeret i pilotanlægget, for at vise potentialet og opskalerings mulighederne for denne teknologi.
De første laboratorieforsøg blev udført i et 0.3 L biologisk triklefilter (BTF), som testede muligheden for at opstarte et BTF hurtigere end resultater fra andre studier. Dette blev undersøgt ved at teste muligheden for at opstarte og opformere metanogenerne direkte i BTF’etmodsat at opformere metanogenerne eksternt for så at bruge dem under opstart. Dette blev bevist muligt, ved at den direkte metode viste mere end 90% CH4 i produktgassen indenfor 14dage, hvorimod tidligere resultater fra andre studier har brugt op til 2 måneder grundet den eksterne opformering. Laboratorieforsøget nåede at køre i 110 dage, hvor det opnåede en produktions kapacitet (PC) på 2.54 mCH43 mr -3 d-1 samt en produktgas på 95.4 ± 4.4% CH4. Den succesfulde opformering var bekræftet af DNA analyse og med UV-mikroskopi.
Det næste laboratorieforsøg der blevet lavet, var for at teste fleksibiliteten af biometanisering ved brug af BTF. Med det nuværende svingende energisystem, kan der komme perioder hvor det ikke er muligt at have H2 til biometaniseringen. Perioder af nedluk for H2 på 6, 24 og 72timer blev testet, hvori parametre som temperatur og gas flow blev varieret for at se indflydelsen på tiden der skal bruges for at opnå den forhenværende PC og CH4 koncentration. For at udføre disse forsøg, blev der designet og bygget 4 nye BTF med et volumen på 8 L, hvori metoden for opstart fundet i det tidligere laboratorieforsøg, blev implementeret med succes. De 4 BTF blev kørt i 350 dage, hvoraf 230 af dem var i en periode med fleksibel drift. Hen over den 350 dage lange periode opnåede de 4 BTF, en PC på 5.1 mCH4 3 mr -3 d-1 og enproduktgas indeholdende 96.9 ± 1.6% CH4. Resultaterne for den fleksible kørsel blev også en succes, da det blev fundet at temperatur og gas flow have en stor indflydelse på at komme tilbage til forhenværende ydeevne. På nedluk af 24 timer, var den forhenværende PC ogproduktgas kvalitet (95.6% CH4) opnået efter 60 min, hvor af at der ved et længere nedluk på 72 timer, kun var opnået 90% CH4 efter 180 min. De optimerede parametre af temperatur og flow under nedluk beviste at biometanisering er en fleksibel teknologi, som kan implementeres i et fluktuerende energisystem.
Pilotforsøget blev kort i de to BTF á 1000 L, hvori formålet var at vise potentialet afteknologien i en opskalering fra laboratorieforsøgene. Pilot-enheden blev designet til at køre i parallel- og seriel-kørsel mellem filtrene. Pilotenheden har kørt i mere end 500 dage på nuværende tidspunkt, og er estimeret til at køre et ½ år endnu. Under den parallelle drift er der over en 78 dage periode blev opnået en gennemsnitlig PC på 9.44 ± 2.37 mCH4 3 mr -3 d-1 med en gaskvalitet på 99% CH4 af flere omgange. Da pilotenheden blev kørt i serieldrift, blev der opnået en 10% højere gennemsnitlig PC, hvori et gennemsnit på den første reaktor alene blev målt til 16.8 ± 2.6 mCH4 3 mr -3 d-1. Der blev også valideret resultaterne fra fleksibilitet ipilotenheden, hvor det også blev bekræftet at teknologien kan reagere hurtigt efter et nedluk, og opnå forhenværende gaskvalitet på >95% CH4 inden for få timer.
Alle disse resultater fra hele PhD projektet har bevist at biometanisering i triklefiltere er en mulighed i større skala. Denne afhandling har flyttet teknologien fra laboratorie skala (TLR 5) og nu klar til større skala (TLR 7). Med dette PhD projekt er der blevet banet en vej for enfremtidig med større skala biologiske power-to-x teknologier, og vi er dermed kommet et skridt tættere på at opnå vores klimamål i 2030 og 2050.
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Schmidt, Jens Ejbye, Hovedvejleder
  • Bastidas-Oyanedel, Juan-Rodrigo, Bivejleder
  • Jeppesen, Martin, Bivejleder, Ekstern person
  • Ashraf, Muhammad Tahir, Bivejleder
Udgiver
DOI
StatusUdgivet - 1. nov. 2022

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Development of Biogas-Based Power-to-Methane Technology'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater