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Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
www.kit.edu
Synthetic fuels from carbon dioxide and renewable electrical energy (e-fuels) enabled by compact microchannel reactors
9th International Freiberg Conference on IGCC/XTL Technologies Berlin, June 4-6, 2018,Berlin, Germany
R. Dittmeyer
KIT – The Research University of the Helmholtz Association
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Outline
R. Dittmeyer04.06.2018
Why e-fuels?
Technical and economic challenges
Modular technology for decentralised production of e-fuels via Fischer-Tropsch synthesis
Advanced reactor technology for methanation
Conclusion
�2
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Current Status vs. Goals of the Energiekonzept 2050
R. Dittmeyer04.06.2018�3
Development of renewable
energiesMore efficient use of energy
Symbolic signing of the Paris Agreement by Secretary Kerry at the Assembly of the United Nations on the Day-of-the-Earth April 22, 2016 in New York Source: Wikipedia
UN COP 21 Agreement (12.12.2015)- global warming shall be limited to „well below“ 2°C - signed by all Nations
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Greenhouse Gas Emissions in Germany (Mio. t CO2 Equiv.)
R. Dittmeyer04.06.2018�4
Data source: Umweltbundesamt, Berlin, 2017
613880
66
132
164
283
427
EnergyIndustryTransportHouseholdsTrade, Commerce & ServicesAgricultureWaste & WastewaterOther
1990 Σ 1.251
Huge efforts needed in all sectors!
2050
250
63
Target
Energy
Transport
Industry
Reduction by 80 to 95%
Chemical: 65.4
531167
88
166
188
332
2016 Σ 906#
#: Estimate for Trade, Commerce & Services included in Other
Energy
Industry
Transport
Chemical: 44.4
House-holds
Households
2017: 170,6
2017: 318,4
2017: 192,9
2017: 904,7
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Renewable Energy in Transport in Germany
R. Dittmeyer04.06.2018�5
Source: “Erneuerbare Energien in Zahlen - Nationale und internationale Entwicklung in 2016“, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Berlin, September 2017
Final energy consumption, TWh
Options:e-mobility Hydrogen in fuel cells 2nd generation biofuels Synthetic fuels from CO2, i.e., e-fuels or direct solar fuels
6.1 Energieverbrauch im Verkehrssektor
Der Endenergieverbrauch im Verkehr hat sich im Jahr 2015 leicht erhöht. In der Summe aller Verkehrsträger ist der Endenergieverbrauch im Verkehrssektor im Jahr 2015 mit 2.619 PJ gegenüber dem Vorjahr um 0,1 Prozent gestiegen (siehe Abbildung 6.1). Der Verkehrssektor macht damit etwa 30 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutsch-land aus.
Bis auf den Schienenverkehr stagniert der Energiever-brauch in allen Verkehrsträgern oder steigt an. Wie Tabelle 6.1 zeigt, sind die Verbräuche auf der Straße und bei der Binnenschifffahrt gestiegen – sowohl im Vergleich zum Vorjahr als auch gegenüber 2005. Im Luftverkehr (interna-tional und national) zeigen sich steigende Verbräuche gegenüber 2005 und kaum Veränderung gegenüber dem Vorjahr. Im Schienenverkehr nahm der Verbrauch gegen-über 2014 ab. Eine direkte Vergleichbarkeit gegenüber 2005 ist aufgrund einer Datenrevision bei der Schiene nicht gegeben, es kann aber von einer Abnahme ausgegangen werden.
Der Endenergieverbrauch im Verkehr ist gegenüber dem Basisjahr 2005 insgesamt um 1,3 Prozentpunkte angestie-gen. Im Durchschnitt hat der Endenergieverbrauch im Ver-kehr damit bisher seit 2005 jährlich etwa um rund 0,1 Pro-
in Europa seit 1997 bei der Fahrzeugeffizienz von Bestands-fahrzeugen, gemessen am Durchschnittsverbrauch je 100 Kilometer, und unabhängig von der Auslastung, keine nen-nenswerte Steigerung erreicht wurde (Lastauto-Omnibus 2015 in ICCT 2015). Insbesondere eine steigende Nachfrage nach höherer Motorleistung hat dies verhindert.
Effizienzgewinne verteilen sich ungleich auf die Verkehrs-träger. Ein Vergleich der spezifischen Verbräuche über alle Verkehrsträger auf Basis des TREMOD-Modells des Umwelt bundesamtes zeigt die größten Effizienzgewinne bei der Schiene, die den Effizienzzuwachs auf der Straße deutlich übertreffen: Im Güterverkehr sind die spezifischen Verbräuche auf der Schiene zwischen 2005 und 2014 um mehr als 30 Prozent zurückgegangen, im Personenverkehr sogar um mehr als 40 Prozent. Diese Methode basiert auf den Durchschnittsverbräuchen je Personenkilometer im Personenverkehr bzw. je Tonnenkilometer im Güterverkehr und bezieht somit auch Effizienzverbesserungen durch Lastmanagement und die Verringerung von Leerfahrten im Güterverkehr mit ein.
Der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch von neu zuge-lassenen Pkw und Kombis ist in den letzten Jahren zurück-gegangen. Zwischen den Jahren 2008 und 2015 sank der Durchschnittsverbrauch insgesamt um 20 Prozent, wie die
offiziellen Zahlen des Kraftfahrtbundesamt zeigen. Diese auf modellierten Herstellerangaben beruhenden Zahlen zum Kraftstoffverbrauch neu zugelassener Fahrzeuge sind noch die einzig verfügbaren offiziellen Zahlen. Die Bundes-regierung setzt sich daher insbesondere auf der EU- und internationalen Ebene dafür ein, dass die neue WLTP-Typ-genehmigung für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge mit ver-besserten Testverfahren und –parametern nun rasch zum Einsatz kommt, um die Repräsentativität der CO2-Typprüf-werte zu erhöhen und eine verbesserte Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Im Ergebnis sollen sich die Verbraucher beim Fahrzeugkauf wieder stärker auf die Prüfdaten verlas-sen können.
Eine Trendwende im Verkehr durch einen deutlich verrin-gerten Energieverbrauch ist und bleibt ein Langzeitprojekt. Der Endenergieverbrauch im Verkehr entwickelt sich ins-gesamt gegenläufig zu den Zielen des Energiekonzepts. Effizienzsteigerungen konnten dabei bislang die Zunahme des Energieverbrauchs im Verkehr durch die deutlich gestiegenen Verkehrsleistungen nicht kompensieren. Die Bundesregierung hat mit der Mobilitäts- und Kraftstoff-strategie (MKS) und dem Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 daher bereits 2014 einen Mix aus Förderung, Bera-tung, Finanzierung und verbessertem Ordnungsrahmen geschaffen, der den Endenergieverbrauch im Verkehrssek-
6 VERKEHR 45
Tabelle 6.1: Energieverbräuche nach Verkehrsträger und Anstieg im Vergleich zum Basisjahr und zum Vorjahr
Quelle: AG Energiebilanzen 08/2016
2015 in PJ 2015 Anteil in % Änderung ggü. 2014 in %
Änderung ggü. 2005 in %
Straße 2.188,4 83,6 0,1 1,8
Luftverkehr 362,2 13,8 0,0 5,1
Schiene 54,2 2,1 -0,4 Datenrevision
Binnenschifffahrt 14,0 0,5 15,5 3,1
Gesamt 2.618,8 100 0,1 1,3
Source: “Die Energie der Zukunft“, Fünfter Monitoring-
Bericht zur Energiewende, Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie (BMWi), Berlin, Dezember 2016
Share in gross consumption0
12,5
25
37,5
50
2005 2007 2009 2011 2013 2015
Biodiesel Vegetable oilBioethanol BiomethaneRenewable power
10
5
7,5
2,5
0
Share in total transport, %
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Main Routes to CO2-Based e-Fuels and e-Chemicals
R. Dittmeyer04.06.2018�6�6
Resources Activation Catalytic syntheses
Renewable power
CO2 from ambient air
Non-food biomass
Unavoidable CO2
H2O
Non-equilibrium plasma
H2O/CO2-Co Electrolysis
Electrochemical CO2 reduction
FT route
MTG route
Oxygenate routes
CO/H2
Fuels / Chemicals
Kerosene
Wax
OME
Gasoline
Olefins
SNG Methanation
Hydrogenation LOHC
MeOH
DME
Building blocks
CH2O
H2O Electrolysis
CO
H2
Diesel
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Outline
R. Dittmeyer04.06.2018
Why e-fuels?
Technical and economic challenges
Modular technology for decentralised production of e-fuels via Fischer-Tropsch synthesis
Advanced reactor technology for methanation
Conclusion
�7
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Converting Renewable Power into Chemical Fuels
R. Dittmeyer04.06.2018
Challenges Approach / Breakthroughs Needed
Economics
Efficiency
Stability
Product Quality
Simpler and more compact plants through process integration Modular cost-effective technologies with good scalability Maximised reuse of heat and waste materials Improved catalysts and intensified reactors Reliability in dynamic operation
�8
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Outline
R. Dittmeyer04.06.2018
Why e-fuels?
Technical and economic challenges
Modular technology for decentralised production of e-fuels via Fischer-Tropsch synthesis
Advanced reactor technology for methanation
Conclusion
�9
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Low-Temperature Fischer-Tropsch Synthesis
R. Dittmeyer04.06.2018�10
FT Synthesis Product Recovery
Power Generation
Hydrogen Recovery
Wax Cracking
Liquid Storage
Syngas Preparation
Syngas Tail gas
Wax
Liquids
Hydrogen
Liquids
Associated Gas Biogas
CO2 / H2
Water
Steam / Heat
nCO + 2nH2 � -(CH2)n- + nH2O ΔHR = - 158 kJ/mol(CO)
Co catalyst
Low-T process (220°C, 30 bar)
CH4, C2H6, C3H8, ……C50H102
C1-C4 C5+
C5-C22 (liquid) C23-C50 (wax)
Syngas
Wax cracking:
C2nH4n+2 +H2Pt/ZSM−5! ⇀!!!!!↽ !!!!!! 2C2nH2n+2
n− paraffin isomerisation! ⇀!!!!!!↽ !!!!!!! i− paraffini− paraffin cracking! ⇀!!!!↽ !!!!! i− paraffin+ olefinolefin+H2
hydrogenation! ⇀!!!!!!↽ !!!!!!! i− paraffin
FT Synthesis:
Conventional GTL process scheme:
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Reactor Design for Lab-Scale Testing
R. Dittmeyer04.06.2018�11
Outlet
Inlet
Heat transfer medium in
Heat transfer medium out
Slits for thermo-couples
Cover plate with optional heating
cartridges
Catalyst plates
Cooling plate
Cover plate with optional
heating cartridges
Heat transfer medium flow
Feed gas flow
ca. 30 cm
mm
Phase 1: Lab Reactor System
for details on the reactor, see: Myrstad et al., Catal. Today 2009, 147, 301-304.
Catalyst stop
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Phase 1: Performance Assessment
R. Dittmeyer04.06.2018
Catalytic activity (C5+ per catalyst mass)
Reactor productivity (C5+ per reactor weight)
Space time yield (C5+ per reaction volume)
KIT (IMVT) 2.1 g/gh 16.7 bpd/t 1785 kg/m3h
velocys - 13 bpd/t 1600 kg/m3h
Oryx GTL – Sasol - 8 bpd/t 20.6 kg/m3h
Literature Review 1.4 g/gh (Pat.) or 2 g/gh (Lit.)
- -
1) S. LeViness, FT Product Manager, Presentation "Velocys Fischer-Tropsch Synthesis Technology – Comparison to Conventional FT Technologies”, AIChE Spring Meeting, San Antonio, Texas/USA (30-Apr-2013)
2) "2012 Interim Results”, Presentation to analysts of the Oxford Catalysts Group 2012, www.velocys.com
3) C.H. Bartholomew, B. Young, History of Cobalt Catalyst Design for Fischer-Tropsch Synthesis, NGCS, Doha 2013
Lab system 2g/h
1 1
12
3
�12
KIT’s microchannel technology compared to conventional large-scale reactors
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)R. Dittmeyer04.06.2018�13
Reaction plate
IMVT /
Phase 2: Validation and Scale-up
Cooled via a closed water/steam cycle (20 – 40 bar) 30 – 40 l/min input ~ 5 kg/d FT output
Cooled via a closed water/steam cycle (20-40 bar) 30-40 l/min syngas 5 kg/d FT products
Cooled via a closed water/steam cycle (20 – 40 bar) 30 – 40 l/min input ~ 5 kg/d FT output
Catalyst is applied in powder form (e.g. 50 - 200 µm) and undiluted
R. Dittmeyer et al., Curr. Opin. Chem. Eng. 2017, 17, 108-125. doi:10.1016/j.coche.2017.08.001
see also: www.ineratec.com
Combustion test at DLR
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)R. Dittmeyer04.06.2018�14
Phase 2: Process Development Unit at IMVT
FTS pilot plant RWGS unit and FTS pilot plant
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Phase 3: Demonstration with spin-off INERATEC
R. Dittmeyer04.06.2018�15
Kerosene synthesis unit for Energy Lab 2.0 (200 L/day)
Winner of the Cleantech Open Global Ideas Challenge,
San Francisco/USA, Jan. 22-24, 2018
up to 8 modules per container (1.600 L/day) ca. 1 MW H2 demand
Deutscher Gründerpreis TOP 3 StartUp’s 2018
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Energy Lab 2.0 - Helmholtz Large-Scale R&D Infrastructure
R. Dittmeyer04.06.2018�16
Installation and „pilot“ operation of a plant network for power generation, energy storage, and energy use as a validation platform for new energy chains (9.75 Mio. €)
- Different (mainly renewable) primary energy carriers
- Energy storage systems using different technologies, i.e., battery system, power to gas, power to fuels
- Linking the electrical, heat and gas grid
BEHNISCH A R C H I T E K T E N
see also: https://www.elab2.kit.edu
Installation of a Simulation and Control Center for investigation of „smart“ energy systems (10 Mio. €)
- Smart energy system control laboratory
- Energy grids simulation and analysis laboratory
- Power hardware in-the-loop test facility
- Control, monitoring and visualisation center
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Energy Lab 2.0 at KIT - Plant Network
R. Dittmeyer04.06.2018�17
Gasturbine/generator
<700Nm3/h<80bar;350°CCO/H2ca.1:1;1.4MWbioliqHPEntrained
flowgasifier5MWtherm.
Naturalgas
Methana?on(5-10Nm3/h)
Jetfuelsynthesis(FTS;5-10kg/h)
BaOerystorage(1MWh)
PVfield(1MW)
30bar40-70Nm3/h;H2/COx=2-3
H2-Tank
Hotgascleaning
CO2-Tank(Backup)
Gasolinesynthesis
Torch
10bar25-50Nm3/h;H2/COx=3-4
<40Nm3/h
PowertoGas
PowertoFuels
<1600Nm3/h40/80barCO/H2ca.1:1
<15Nm3/h
<50Nm3/h
<30Nm3/h
Powergrid/consumers(KIT)
100kWPEMElectrolyzer
CO2capture
100kWel.
100kWel.
100kWel.
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Energy Lab 2.0 at KIT - Plant Network
R. Dittmeyer04.06.2018�18
1MWPVplant
1,3MWhLi-Ionbatterysystem
800m²SEnSSiCCLabs
bioliq®pilotplant
3„LivingLabs“
Power-to-Xcomplex
April6,2018
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Outline
R. Dittmeyer04.06.2018
Why e-fuels?
Technical and economic challenges
Modular technology for decentralised production of e-fuels via Fischer-Tropsch synthesis
Advanced reactor technology for methanation
Conclusion
�19
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Phase 1: Screening of Methanation Catalysts
R. Dittmeyer04.06.2018�20
Main reactions :
CO methanation: CO + 3H2! CH4 + H2O ΔHR0 = −206.3 kJ
mol
CO2 methanation: CO2 + 4H2! CH4 + 2H2O ΔHR0 = −165.1 kJ
mol
Side reactions :
Watergas-shift reaction: CO + H2O! CO2 + H2 ΔHR0 = −41.2 kJ
mol
Boudouard reaction: 2CO! C +CO2 ΔHR0 = −172.5 kJ
mol
Accomplished tasks: Evaluation of different catalysts regarding kinetics and operational stability Detailed assessment of the thermodynamics (conversion, carbon formation) Identification of a suitable window of operation for methanation of CO/CO2 mixtures
1 Step
Operation Regime XCO2
XCO
350
400
450
500
0 20 40 60 80 100
Tem
pera
ture
(°C
)
Reactor axial position (L/L0)
27
21.1
15
10
Throughput [NL/min]
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)�21
Phase 2: Conceptual Reactor Design
R. Dittmeyer04.06.2018�21
Geometry2 Slits; micro structured plates; filled with catalyst; particle size 400 - 500 µm 5 g commercial Ni/Al2O3-catalyst; diluted with SiC (300 - 400 µm)
Cooling2 Sections; micro channels 500 x 500 µm, co-current with pre-heated air, steam or water
Inlet Outlet
Heating cartridges
Cooling
TF ,in
TF ,in
2 mm
100 mm
50 mmTC ,in TC ,out
Th1 Th2 Th3 Th4 Th5
see also: M. Belimov et al., AIChE J. 2017, 63, 120-129.
!VSG >1mN3 h
2nd Prototype
Pwater = 20 bar, H2/CO2 = 4
ṁ1=19.0 g.min-1, ṁ2= 7 g.min-1
ṁ1=13.5 g.min-1, ṁ2=1.0 g.min-1
ṁ1=9.0 g.min-1, ṁ2= 0.1 g.min-1
ṁ1=3.0 g.min-1, ṁ2= 0.0 g.min-1
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)�22
Phase 3: Validation and Scale-up
R. Dittmeyer04.06.2018�22
Überarbeitetes Reaktordesign im Labor validiert
Phase 3: Validation and Scale-up
Scale-up to 100 mN3/d together with INERATEC Successful start-up of power-to-gas pilot plant by gasNatural fenosa at a waste water treatment plant close to Barcelona, Spain (press release from May 31, 2018 at GNF website)
Slurry bubble column reactor
Micro-structured reactor
Testing at 10 mN3/h scale in the Energy Lab 2.0Pressure: 20 bar Temperature: 300°C
Assembled power-to-gas pilot plant at INERATEC site in Karlsruhe before shipping
http://www.prensa.gasnaturalfenosa.com/en/gas-natural-fenosa-launches-pilot-project-to-produce-renewable-gas-in-catalonia/
Synthetic Fuels – Combustibles Sintètics (CoSin), Grant No. COMRDI15-1-0037
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Outline
R. Dittmeyer04.06.2018
Why e-fuels?
Technical and economic challenges
Modular technology for decentralised production of e-fuels via Fischer-Tropsch synthesis
Advanced reactor technology for methanation
Conclusion
�23
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Conclusion
R. Dittmeyer04.06.2018
Substantial progress has been made recently in the development of modular intensified reactors for Fischer-Tropsch synthesis and similar reactions
Container or skid-based plants are proposed for decentralised conversion of (syn)gas into chemical energy carriers. The concept is: many plants instead of few large ones. Cost-effective fabrication methods and digitalisation support this.
Micro process technology is a key enabler for such concepts. Benefits include: excellent command over the local reaction conditions, reduced plant footprint and complexity, dynamic operation more feasible…
Renewable energy-powered conversion of carbon dioxide and water into synthetic fuels and chemicals (e-fuels / e-chemicals) is most likely needed to decrease carbon dioxide emissions in transport and industry to the required levels
An appropriate regulatory framework based on broad societal consensus (worldwide) is needed to support the transition to a post-fossil circular economy
�24
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
More about Microchannel Technology…
R. Dittmeyer04.06.2018!25
http://dechema.de/en/IMRET2018.html
visit us at KIT (http://www.imvt.kit.edu)
visit us at the ACHEMA – World Forum and Leading Show for the Process Industries, 11 - 15 June 2018, Frankfurt am Main, Germany Hall 9.1 booth E41; Hall 9.2 booth A80 or Hall 9.2 booth E83
join us at the 15th International Conference on Micro Reaction Technology IMRET-15, Oct. 21-24, 2018, Karlsruhe, Germany
Institute for Micro Process Engineering (IMVT)
Many thanks to…
R. Dittmeyer04.06.2018
the colleagues at IMVT for extensive efforts in the different projects
the KIC InnoEnergy for funding of the project SYNCON
the China Scholarship Council (CSC) for a scholarship (Chenghao Sun)
the Peter and Luise Hager Foundation for funding of a doctoral researcher (Hannah Kirsch)
the Vector Foundation for funding of the project DYNSYN
the Helmholtz Association and the German Ministries for Education and Research (BMBF) as well as Economics and Energy (BMWi) and the Ministry for MWK for funding of the Energy Lab 2.0 large-scale investment project
the German Ministry for Economics and Energy (BMWi) for funding of the start-up INERATEC through the national eXist programme
the German Ministry for Education and Research (BMBF) for funding of the Kopernikus-Project P2X
the European Commission for funding of the H2020 project KEROGREEN
you for your kind attention!
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