Titelaufnahme

Titel
The purification of fermentatively produced hydrogen using gas permeation : a practical and simulative approach / von Tino Georg Lassmann
VerfasserLassmann, Tino Georg
Begutachter / BegutachterinFriedl, Anton ; Harasek, Michael
ErschienenWien, 2015
UmfangXX, 136, XXII-XXVIII Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Wasserstoff / Fermentation / Gas Permeation / Prozess Simulation
Schlagwörter (EN)Hydrogen / Fermentation / Gas Permeation / Process Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-87749 Persistent Identifier (URN)
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The purification of fermentatively produced hydrogen using gas permeation [4.48 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Heutzutage ist es eine unabdingbare Notwendigkeit eine Alternative zu fossilen Energiequellen zu finden, da ihre Verfügbarkeit zeitlich begrenzt ist. Neben dem früher oder später eintretenden Engpass an fossilen Brennstoffen, so sind ihre Umweltauswirkungen eine weitere Triebkraft für die Suche nach einer nachhaltigen Alternative. Wasserstoff wird in diesem Zusammenhang gerne als ein vielversprechender Energieträger der Zukunft angesehen. Jedoch sind die gängigen Methoden zur Wasserstoffproduktion entweder auf fossilen Brennstoffen basierend oder mittels der energieintensiven Elektrolyse von Wasser. Diese Methoden erfüllen aber nicht die Grundvoraussetzungen für eine moderne Energiebereitstellung, denn sie sind weder nachhaltig noch energieeffizient. Eine Möglichkeit für eine nachhaltige und energieeffiziente Wasserstoffproduktion ist der biotechnologische Weg der Dunkelfermentation, in der Biomasse verwendet wird um ein wasserstoffreiches Gas herzustellen. Je nach Prozessbedingungen wird neben dem Hauptbestandteil Wasserstoff auch noch ein entsprechender Anteil an Kohlendioxid produziert. Das Kohlendioxid im Gas wird als Verunreinigung angesehen und muss daher nachfolgend abgetrennt werden um reinen Wasserstoff als Endprodukt zu erhalten. Typische Trenntechniken in der Wasserstoffreinigung sind die Aminwäsche und die Druckwechsel Adsorption. Diese in der Industrie großtechnisch etablierten Anwendungen sind aus technischer Sicht sehr gut geeignet. Da sich aber die Gas-Kapazitäten, Gas-Zusammensetzungen, und Betriebsbedingungen von typischen Anwendungen unterscheiden, sind diese bezüglich der benötigten Energieeffizienz nicht für die Aufbereitung von Fermentationsgas geeignet. Für diesen speziellen Anwendungsfall könnte das Membrantrennverfahren vielversprechende Ergebnisse erzielen, da Gaspermeation ein einfaches, flexibles, und mobiles Trennverfahren ist. Des Weiteren charakterisiert sich dieses durch einen niedrigen Energiebedarf und geringe Investitionskosten. Das Ziel dieser Arbeit war es daher die Anwendbarkeit von Gaspermeation für die Reinigung eines Fermentationsgases zu untersuchen. Ein innovativer klein-industrieller Prozess zur Aufbereitung eines wasserstoffreichen Gases wurde entworfen, mit speziellem Augenmerk auf einen flexiblen und energieeffizienten Trennprozess. Dabei wurden zwei Bereiche abgedeckt: die experimentelle Untersuchung von kommerziell erhältlichen Membranmaterialen und die simulationstechnische Untersuchung von verschiedenen Membrananordnungen. Der experimentelle Teil inkludierte die Anfertigung von Membranmodulen unter Verwendung von Ployimid (PI) oder Polypropylen (PP) Hohlfasermembranen und deren Überprüfung unter Laborbedingungen. Die Reingasmessungen für PI Membranmodule ergaben ideale H2/CO2-Selektivitäten im Bereich von 3.45 bis 3.91. Im Vergleich dazu konnte mit PP Membranmaterial eine ideale H2/CO2-Selektivität von 2.7 nie übertroffen werden, was sie wiederum für die gegebene Reinigungsaufgabe ungeeignet machte. Weitere Untersuchungen der PI Membranmodule enthielten Messungen mit zwei verschiedenen Gasmischungen, einem binären Gemisch mit 66 vol% H2 und 34 vol% CO2 und einem ternären Gemisch mit 40 vol% H2, 30 vol% CO2 und 30 vol% N2. Diese Untersuchungen zeigten, dass für die binären oder ternären Gasgemische die jeweiligen H2/CO2-Selektivität auf Werte im Bereich von 2.29 bis 2.49 bzw. 2.43 bis 2.7 sanken. Auf die Labortests folgte die Entwicklung eines Trennprozesses der als Grundlage für den Bau einer klein-maßstäblichen Versuchsanlage diente. Nachfolgend wurde die Versuchsanlage an einen Wasserstoff-Fermenter angeschlossen. Die daraus gewonnen Informationen der Prozessparameter und Gasqualitäten gingen mit denen der Labortests einher. Daraus konnte der Schluss gezogen werden, dass eine Online-Aufbereitung des Fermentationsgases realisierbar ist. Im simulationstechnischen Teil der Arbeit wurde mittels der Simulationssoftware Aspen Custom Modeler® eine Gaspermeations-Grundoperationseinheit entwickelt, welche zu einem späteren Zeitpunkt in das Fließschema- und Prozessoptimierungs-Programm Aspen Plus® implementiert wurde. Die Validierung dieses einstufigen Modells war erfolgreich und es konnte zur Untersuchung verschiedener Mehrstufenkonzepte in Aspen Plus® verwendet werden. Die Implementierung einer zweiten (Setups 1 und 2) und dritten Stufe (Setup 4) in den Prozess führte zu einem H2-Recovery-Anstieg verglichen mit einer einstufigen Konfiguration. Mittels der Modelle war es möglich das Verhalten der Membranen unter wechselnden Prozessbedingungen zu simulieren. Jedoch ergab sich, dass bei der Verwendung der betrachteten H2-selektiven Membranen die erforderliche Produktqualität nicht erreicht werden konnte. Im Gegensatz zu Setups 1 und 2 führte die Verwendung von CO2 selektive Membranen (Setup 3) zur gewünschten Produktreinheit von mindestens 98 vol% H2. Des Weiteren resultierte diese Variante in einen geringeren spezifischen Energiebedarf. Alles in allem ließ sich erkennen, dass die Aufreinigung von fermentativ produziertem Wasserstoff zu einer für den Wasserstoff-Verbrennungsmotor geeigneten Gasqualität unter den gegebenen Voraussetzungen nur mittels CO2-selektiven Materials zu erreichen ist. Eine Analyse für die Möglichkeiten der Abgasverwertung wurde ebenfalls durchgeführt um einen Einblick in das ungenutzte Energiepotential der anfallenden Abgasströme zu bekommen. Es zeigte sich, dass der Energiegehalt in den Abgasströmen der jeweiligen Prozesskonfigurationen für die Bereitstellung von Strom und Wärme genutzt werden kann. Trotz alledem scheint dies in Bezug auf Nachhaltigkeit und Emissionsreduzierung ein sehr vielversprechender Weg zu sein. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die Verwendung von Membranen zur Aufbereitung von fermentative hergestelltem Wasserstoff eine vielversprechende Variante darstellt, speziell im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Emissionsreduktion.

Zusammenfassung (Englisch)

Today, there is an indispensable need in alternatives to fossil energy sources because its availability is timely limited. In addition to the sooner or later arising availability shortage, environmental effects caused by the utilization of fossil fuels are essential driving forces in pursuing a sustainable alternative. In this context, hydrogen is often mentioned as one of the most promising energy carriers of the near future and it is seen as potential emission-free fuel in the transportation sector. Unfortunately, most common hydrogen production methods are either based on fossil fuels or the energy intensive water electrolysis. These methods cannot fulfill modern energy provision requirements, because they are neither sustainable nor energy efficient. One possibility of a sustainable and energy efficient hydrogen production is the biotechnological pathway of dark fermentation, where biomass can be used to generate a hydrogen-rich gas. Besides hydrogen as main component carbon dioxide is also generated with its ratio depending on the respective process conditions. The carbon dioxide in the gas is considered as a contaminant and has to be separated subsequently to obtain pure hydrogen as a final product. Typically used hydrogen purification methods are amine absorption and pressure swing adsorption. These large-scale industry methods are well-established and may be suitable from a technological point of view. But, with gas capacities, compositions, and conditions different from typical applications, these methods might not be suitable for the purification of dark fermentation gas regarding their energy efficiency. For this particular application membrane technology seems to be very promising because gas permeation is a simple, flexible, and even mobile purification method. It is also characterized by a low energy requirement and low investment costs. Therefore, the goal of this work was to investigate the applicability of gas permeation for the purification of a dark fermentation gas. An innovative small scale process to upgrade the hydrogen rich gas was designed, with special attention to a flexible and energy-efficient separation process setup. Two areas of research were covered: an experimental investigation of commercially available membrane material, and a simulative investigation of different process setups. The experimental part included assembly and testing of membrane modules in the laboratory, using either PI or PP hollow fibers as membrane material. Pure gas measurements for PI membrane modules resulted in ideal H2/CO2 selectivities in the range of 3.45 to 3.91. Compared to that, using PP membrane material never surpassed an ideal H2/CO2 selectivity of 2.7, which made them unsuitable for the given purification task. Further investigation of PI membrane modules included measurements with two different mixtures, a binary with 66 vol% H2 and 34 vol% CO2, and a ternary with 40 vol% H2, 30 vol% CO2 and 30 vol% N2. These investigations showed that for binary or ternary gas mixtures the respective H2/CO2 selectivities decreased to values in the range of 2.29 - 2.49 or 2.43 - 2.7, respectively. The laboratory tests were followed by the design of a separation process to set up a small scale pilot plant. This pilot plant was then connected to a hydrogen fermenter and the obtained information on process data and gas qualities confirmed the results from laboratory measurements. Based on the experimental work it can be concluded that an actual online fermenter gas upgrading is possible. In the simulative part of this work, the simulation tool Aspen Custom Modeler® was used to develop a gas permeation unit operation which was implemented into the flow sheeting and process optimization software Aspen Plus® at a later stage. This single-stage model was successfully validated and used to design various multi-stage processes in Aspen Plus&reg® . Implementing a second (setups 1 and 2) and third stage (setup 4) into the process resulted in a H2-recovery increase compared to a single-stage configuration. The models were able to display the behavior of the membranes due to changing process conditions, but when using H2-selective membranes the achievable product quality was unfortunately not reached. Compared to setups 1 and 2, the utilization of CO2-selective membranes (setup 3) did reach the required product purity of at least 98 vol%. It furthermore resulted in a lower specific energy demand. All in all, the purification of fermentatively produced hydrogen to a hydrogen combustion engine suitable gas quality could only be maintained with CO2-selective material. Possible scenarios for the off-gas utilization were developed, to gain insight into the available unused energy potential. For all four multi-stage setups, it was shown that a thermal utilization of the off-gas- energy content could provide a significant amount of heat and power. In conclusion, this thesis showed that the utilization of commercially available membrane material has its possibilities but also its restrictions. Regarding sustainability and emission reduction, this pathway of fermentative hydrogen with subsequent membrane purification seems very promising.