Process design and optimization for recovery of biohydrogen

  • Prozessentwicklung und -optimierung der Biowasserstoffaufbereitung

Ohs, Burkhard Eike Ludger; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Bathen, Dieter (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

H2 gilt als ein vielversprechender Energieträger und ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie. Aktuell wird H2 überwiegend mittels Dampfreformierung aus begrenzten fossilen Energieträgern gewonnen, wobei große Mengen CO2 emitiert werden. Daher werden zahlreiche alternative Produktionsvarianten untersucht. H2 kann fermentativaus Abfallströme produziert werden, wodurch die Abfallverwertung zur Energiegewinnung genutzt wird. Hierbei fallen jedoch auch weitere Nebenprodukte, wie z. B. CO2, an. Diese müssen für die Nutzung des Wasserstoffs aufwendig abgetrennt werden. Die Trennung der weiteren Gaskomponenten stellt dabei einen wesentlicher Kostentreiber dar. Bisher wurden mögliche Abtrennprozesse jedoch nur unzureichend betrachtet. Daher werden in dieser Doktorarbeit verschieden Trennprozesse unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten verglichen. Membranprozesse sind für die Biowasserstoffaufbereitung sehr energieeffizient, können jedoch nur eine begrenzte Produktreinheit erzielen. Mittels Druckwechseladsorptionsprozessen kann zwar hochreiner H2 gewonnen werden, die erzielbare Ausbeute beider Bulktrennung ist aber limitiert. Hybride Membran-Adsorptionsprozesse kombinieren die Vorteile beider Technologien. Jedoch ist die Entwicklung solcher Prozesse aufgrund der Vielzahl an Verschaltungsvarianten sehr aufwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein Optimierungsmodell für den hybriden Gastrennprozess entwickelt. Neben der Optimierung des Gesamtprozesses ist eine Effizienzsteigerung von Adsorptionsprozessen mittels sogenannter Hohlfaseradsorber möglich. Diese zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen Adsorptionsbetten durch einen besseren Stofftransport, einem geringen Druckverlust und definierten Strömungsbedingungen aus. In dieser Arbeit wurden mit einem Optimierungsmodell nicht nur optimale Prozessparameter sondern auch Geometrien der Hohlfaseradsorber identifiziert. Darüber hinaus ist der Wasserstoffstrom häufig durch inerte Komponenten, z. B. N2,verdünnt. Dadurch ist eine Kompression des Feedgases oftmals unwirtschaftlich. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Prozess aus einer elektrochemischen Wasserstofftrennung und einer Temperaturwechseladsorption für die Trennung von CO2 und N2untersucht. Der aufgereinigte N2, der häufig für die Begasung bei der fermentativenH2-Produktion eingesetzt wird, kann somit recycelt werden. Amine-funktionalisierte Adsorbentien eignen sich besonders für die CO2-Abtrennung bei niedrigen Partialdrücken. Die CO2-Adsorptionskinetik dieser Materialien wurde bisher jedoch nur unzureichend beschrieben, wodurch eine detaillierte Prozessanalyse unmöglich ist. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Kinetikmodell für die CO2-Adsorption entwickelt. Abschließend wurden die verschiedenen Trennprozesse miteinander verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die Kosten für die Aufreinigung des Wasserstoffes bei Verdünnung vierfach höher sind. Es ist also notwendig, Biowasserstoffprozesse zu entwickeln bei denen der H2 in möglichst hoher Konzentration vorliegt. Mit den vorgestellten Prozessstudien ist es nun möglich, die H2-Produktion ganzheitlich zu betrachten.

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