Dreiphasen-Methanisierung (3PM) im Kontext der Energiewende

Die sogenannte Power-to-Gas- (PtG)-Prozesskette dient der Speicherung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie in Form von gasförmigen chemischen Energieträgern. Im ersten Schritt wird dabei Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse hergestellt. Um die Energie noch einfacher speichern, transportieren und nutzen zu können, wird anschließend durch katalytische Methanisierung der Wasserstoff unter Zugabe von Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid in Methan umgewandelt. Im Anlagenverbund des Energy Lab 2.0 am KIT Campus Nord wird hierfür eine Methanisierungsanlage mit Blasensäulenreaktor genutzt, welche im Juni 2019 in Betrieb genommen wurde. Im Blasensäulenreaktor reagieren die Eduktgase an einem in einer Flüssigphase dispergierten festen Katalysator zu Methan. Auf Grund der drei im Blasensäulenreaktor vorliegenden Phasen wird dieses Konzept auch als Dreiphasen-Methanisierung (3PM) bezeichnet.

Größte Herausforderung für die Methanisierung in einer PtG-Prozesskette ist die Eignung zum dynamischen Betrieb mit fluktuierenden Lastprofilen: Die Wasser-Elektrolyse mit fluktuierend anfallendem regenerativen Strom liefert einen damit korrelierenden fluktuierenden Wasserstoffstrom.  Diese Schwankungen können entweder durch teure und aufwändige Speichertechnologie oder aber durch eine ausreichend große Lastflexibilität der nachgeschalteten Methanisierung aufgefangen werden. Während konventionelle Festbett-Reaktorkonzepte nur bedingt hierfür geeignet sind, stellen speziell Dreiphasen-Reaktoren eine interessante Alternative für solche Anwendungsfälle dar.

Neben den direkten verfahrenstechnischen Fragestellungen, die mit der Methanisierungsanlage des Energy Lab 2.0 untersucht werden, liefert die Anlage wertvolle Messdaten zur Validierung bestehender mathematischer Modelle zur Beschreibung der Dreiphasen-Methanisierung. Aufgrund der großen Abmessungen des Blasensäulenreaktors (Durchmesser 260 mm, Höhe 2500 mm), können aussagekräftige Ergebnisse speziell zur Hydrodynamik erzielt werden, welche sich in kleinen Laborapparaturen beispielsweise auf Grund von Wandeffekten nicht erzielen lassen.

Dreiphasen-Methanisierungsanlage im Energy Lab 2.0