Modellierung einer Power to Liquid-Anlage mit einer Mikrowellen-Plasmalyse als Gaswandlungstechnologie und anschließender Fischer-Tropsch-Synthese

Abstract

Der derzeitige vom Menschen gemachte Klimawandel bedeutet eine große Gefahr für das Weiterbestehen des derzeitigen Ökosystems samt Pflanzen, Tieren und Menschen. Um die dafür verantwortlichen CO2-Emissionen senken zu können, sind neuartige emissionsärmere Technologien zu entwickeln. Für solche Entwicklungen sind komplexe Berechnungen, Simulationen und Modellierungen solcher Technologien nötig. Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung einer Power-to-Liquid-Anlage mit einer Plasmalyse als Gaswandlungs-technologie und anschließender Fischer-Tropsch-Synthese. Diese Anlage soll aus Biogas und Strom mithilfe von unterschiedlichen Technologien Rohöle für eine darauffolgende Kraftstoffherstellung bereitstellen. Diese Modellierung soll Aufschluss über benötigte Energiebedarfe und Gasmengen für eine solche Anlage geben. Um dieses Modell zu entwickeln, wird sich auf ein bestehendes Berechnungsmodell für eine andere Power-to-Liquid-Anlage gestützt und zusätzlich benötigte Technologiesimulationen mithilfe von Fach-literatur entwickelt. Damit eine Einschätzung des energetischen Aufwands für die Produktion von synthetischem Rohöl erfolgen kann, wird ein Vergleich der energetischen Aufwände des neuen Modells und des Referenzmodell, welches für die neue Modellbildung dient, erstellt. Zusätzlich werden Modellparameter variiert, um Einflüsse dieser auf den Leistungsaufwand darzustellen. Zu diesen Parametern, welche variiert werden, zählen unter anderem der Biogasmassenstrom und der Methananteil am Biogas. Die Ergebnisse der Modellierungen zeigen, dass eine Power-to-Liquid-Anlage mit einer Plasmalyse und anschließender Fischer-Tropsch-Synthese sehr ähnliche Leistungsbedarfe bei einem Vergleich mit einer Power-to-Liquid-Anlage mit Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff als Gase und einer rückwärtigen Wassergas-Shift-Reaktion als Gaswandlungstechnologie aufweist. Von Vorteil ist hierbei die Nutzung eines anderen Gases, in diesem Fall Methan, sodass der wesentliche Anteil der nutzbaren Energie aus dem Gas, anstatt aus externen Stromquellen stammt. Weiterführende Forschungen bezüglich dieser Arbeit könnten sich mit den getroffenen Annahmen oder weiteren neuen Technologien in einem Power-to-Liquid-Aufbau beschäftigen.

The current man-made climate change poses a great threat to the continued existence of the current ecosystem, including plants, animals, and humans. To be able to reduce the CO2 emissions responsible for this, new types of low-emission technologies must be developed. For such developments complex calculations, simulations and modeling of these technologies are necessary. The aim of this work is the modeling of a power-to-liquid plant with a plasmalysis as gas conversion technology and subsequent Fischer-Tropsch synthesis. This plant is to produce crude oils from natural gas and electricity using different technologies for subsequent fuel production. This modeling will provide information about required capacities and gas quantities for this type of plant. To develop this model, an existing calculation model for another power-to-liquid plant will be used and additional required technology simulations will be developed with the help of current research within this field. To enable an assessment of the energetic effort required to produce synthetic crude oil, a comparison of the energetic effort of the new model and the reference model used for the new modeling will be made. In addition, model parameters are varied to show influences of these parameters on the power need. Among these parameters are the natural gas mass flow and the methane content of the natural gas. The results of the modeling show that a power-to-liquid plant with a plasmalysis and subsequent Fischer-Tropsch synthesis has very similar power requirements when compared with a power-to-liquid plant with carbon dioxide and hydrogen as gases and a reverse watergas-shift reaction as gas conversion technology. However, the use of an alternative gas, in this case methane, is of advantage, because of the mainly used energy of the methane instead of external energy sources. Further research concerning this work could deal with the assumptions made or further new technologies in a power-to-liquid setup.