Refining VDI guideline 4663 to evaluate the efficiency of a power-to-gas process by employing limit-oriented indicators

Abstract

Primarily released by the conversion of primary fossil energy sources, anthropogenic greenhouse gas emissions influence global warming fundamentally. Since they enable increasing the share of sustainable energy sources in the energy supply and reducing greenhouse gas emissions through targeted integration, power-to-X technologies promise to be an important element of compliance with impending regulations and laws. VDI 4663 guideline for strategically optimizing (technical) processes applies the physical optimum, a promising performance indicator for a unified, time-independent, and structured evaluation of power-to-X technologies that defines an operation under physically optimal conditions as a limit value. This study applies VDI 4663 to a power-to-X system and evaluates different components. It specifically examines current power-to-gas applications, the physical optimum as a limit-oriented indicator and its application to complex processes, the physically optimal operation of electrolysis and methanation, heat transfer as a critical component of methanation, the evaluation of a heat exchanger based on the physical optimum, and targeted process optimization based on VDI 4663. The outcome is an energy index for the evaluation of a heat exchanger, factoring in its structural design. The physical optimum of electrolysis and methanation developed here can also be employed as the basis for targeted optimization. This study serves as a basis for the evaluation of other power-to-X systems and introduces the application of VDI 4663. Additionally, the applicability of the physical optimum to chemistry-based processes is validated.

Die anthropogenen Treibhausgasemissionen, die vor allem bei der Umwandlung fossiler Primärenergieträger freigesetzt werden, beeinflussen die globale Erwärmung grundlegend. Da sie es ermöglichen, den Anteil nachhaltiger Energieträger an der Energieversorgung zu erhöhen und durch gezielte Integration Treibhausgasemissionen zu reduzieren, versprechen Power-to-X-Technologien ein wichtiger Baustein zur Erfüllung anstehender Vorschriften und Gesetze zu sein. Die Richtlinie VDI 4663 zur strategischen Optimierung von (technischen) Prozessen verwendet mit dem physikalischen Optimum einen vielversprechenden Leistungsindikator für eine einheitliche, zeitunabhängige und strukturierte Bewertung von Power-to-X-Technologien, der einen Betrieb unter physikalisch optimalen Bedingungen als Grenzwert definiert. Die vorliegende Studie wendet die VDI 4663 auf ein Power-to-X-System an und bewertet verschiedene Komponenten. Im Einzelnen werden aktuelle Power-to-Gas-Anwendungen, das physikalische Optimum als grenzwertorientierter Indikator und seine Anwendung auf komplexe Prozesse, der physikalisch optimale Betrieb von Elektrolyse und Methanisierung, die Wärmeübertragung als kritische Komponente der Methanisierung, die Bewertung eines Wärmetauschers auf Basis des physikalischen Optimums und die gezielte Prozessoptimierung auf Basis der VDI 4663 untersucht. Das Ergebnis ist eine Energiekennzahl zur Bewertung eines Wärmetauschers unter Berücksichtigung seiner konstruktiven Gestaltung. Das hier entwickelte physikalische Optimum von Elektrolyse und Methanisierung kann auch als Grundlage für eine gezielte Optimierung genutzt werden. Diese Studie dient als Grundlage für die Bewertung anderer Power-to-X-Systeme und führt in die Anwendung der VDI 4663 ein. Zusätzlich wird die Anwendbarkeit des physikalischen Optimums auf chemiebasierte Prozesse validiert.