Konzeption einer Pilotanlage auf Grundlage einer technoökonomischen Bewertung von flexiblen Polygenerationsprozessketten

Die Weltgemeinschaft hat sich mit dem Pariser Klimaabkommen von 2015 verpflichtet, die Klimaerwärmung gegenüber dem vorindustriellen Zeitalter auf maximal 2 °C zu begrenzen. Es gilt die anthropogenen Treibhausgasemissionen sektorübergreifend zu reduzieren. Im Energiesektor in Deutschland erfolgt hierfür vorrangig der Ausbau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen, welcher wiederum die Nachfrage nach flexibler Stromerzeugung und -speicherung erhöht. Der Industriesektor steht dagegen vor der Herausforderung, sich von einer linearen Kohlenstoffwirtschaft auf Grundlage von fossilen Grundstoffen zu einer Kreislaufwirtschaft weiterzuentwickeln. Ein vielversprechendes Konzept stellt das Polygenerationskonzept auf Basis der Wirbelschichtvergasung dar. Es erlaubt sowohl eine CO₂-arme Stromproduktion als auch die Bereitstellung von Grundstoffen für die chemische Industrie aus fossilen Rohstoffen und biogenen sowie anthropogenen Ressourcen. In der vorliegenden Arbeit wird die Konzeption einer Pilotanlage als Erweiterung eines bestehenden 500 kWth Pilotvergasers an der Technischen Universität Darmstadt zur Unter-suchung der technischen und wissenschaftlichen Fragestellungen für eine Kommerzialisierung des Polygenerationskonzepts dargestellt. Dies erfolgt basierend auf einer Modellierung der Prozesskette bestehend aus Dampfwirbelschichttrocknung, Wirbelschichtvergasung, katalytischen Konvertierungsstufen, verschiedener Trennverfahren zur Gasreinigung, Stromerzeugung sowie der Synthese von Methanol als chemischer Grundstoff. Mittels techno-ökonomischer Bewertung werden zu erwartende Betriebspunkte und Lasttransienten in kommerziellen Anlagen ermittelt und hieraus die offenen Forschungsfragen abgeleitet. Es wurden mehr als 200 Betriebsstunden im Pilotvergaser mit verschiedenen Einsatzstoffen zur Validierung der Auslegungsbedingungen absolviert. Dabei wurden Kaltgaswirkungsgrade bis 65 % und Kohlenstoffumsätze bis 95 % erreicht. Die technoökonomische Analyse zeigte, dass in einer kommerziellen Polygenerationsanlage bereits ohne Verwendung von Elektrolysewasserstoff bis zu 58 % des Kohlenstoffs im Produkt gebunden wird. Die ermittelten Produktgestehungskosten liegen mit 145 €/MWh für Strom und 540 €/t für Rohmethanol über dem derzeitigen Marktpreis. In Zukunft sind jedoch steigende CO₂-Zertifikat- und volatilere Strompreise zu erwarten. In diesem Marktumfeld wäre das untersuchte Konzept wirtschaftlich zu betreiben. Die konzipierte und derzeit in der Inbetriebnahme befindliche Pilotanlage enthält alle kritischen Prozessschritte der Gasreinigung. Als drängendste Forschungsfragen wurden die Lastwechselfähigkeit der Kolonnen und Reaktoren sowie die Validierung von Technologien zur Teerabscheidung identifiziert.

With the Paris Agreement in 2015, the global community committed itself to limit the global warming to 2 °C compared with the pre-industrial level. Hence, the anthropogenic greenhouse gas emissions need to be reduced across all sectors. In Germany, on one hand, this is hitherto mainly achieved by broad deployment of wind turbines and photovoltaic within the energy sector. These technologies in turn lead to an increasing demand for flexible power generation and storage. The industrial sector on the other hand faces the challenge to transform from a linear carbon economy based on fossil resources to a circular carbon economy. The polygeneration concept based on fluidized bed gasification is a promising approach for both a CO₂ lean power production as well as the supply of base chemicals for the chemical industry from fossil resources and biogenic and anthropogenic residues alike. The study at hand presents the conceptual design of a pilot plant for the investigation of the technical and scientific problems to be solved before commercialization of the polygeneration concept. The pilot plant itself is an extension of an existing 500 kWth pilot scale gasifier at the Technical University of Darmstadt. The conceptualization is based on a model of the complete process chain consisting of fluidized bed drying, fluidized bed gasification, catalytic conversions, thermal and chemical separation processes for raw gas cleaning, power production and synthesis of methanol as a base chemical. The relevant research issues are than derived by means of techno-economic assessment of expected operation regimes and transients in commercial scale polygeneration plants. For validation of the design conditions of the pilot scale gas processing, more than 200 operating hours of the pilot scale gasifier have been completed with different feedstocks. Hereby, cold gas efficiencies up to 65 % and carbon conversions up to 95 % were achieved. The techno-economic assessment showed that commercial scale polygeneration plants are able to store up to 58 % of the carbon within the feedstock in the product, without additional use of electrolytic hydrogen. The determined production costs with 145 €/MWh for power and 540 €/t for raw methanol are above the current market price. In the future, increasing prices for CO₂ emissions and more volatile prices for electricity can be expected. These market conditions would make the investigated concept economically feasible. The conceptualized pilot plant includes all critical process steps. The load flexibility of the separation processes and reactors as well as the large scale testing of improved tar removal technologies have been identified as the most pressing questions before commercialization.