An experimental setup for methanol production for renewable energy storage
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2020-08-17
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
61+2
Series
Abstract
The challenges posed by climate change require a broad spectrum of new solutions in meeting the international goals for carbon neutrality. Power-to-X technologies (P2X) will play a major role in reaching these goals. P2X means the process of converting electrical energy into chemical energy of some compound, where the energy can be later discharged when needed. Methanol production from carbon dioxide and hydrogen via methanol synthesis allows the storage of renewable electricity to methanol, that can be later used as a fuel for example. This process can be designed to be completely carbon neutral, if the hydrogen needed for the process is produced via water electrolysis, and if the carbon dioxide needed for the process is captured from industrial flue gases or directly from air. This master’s thesis focuses on methanol synthesis from carbon dioxide and hydrogen. Planning and construction of an experimental methanol reactor setup for CO2-based methanol synthesis is included in this thesis. The structure of the experimental setup with the equipment involved is presented in this master’s thesis. In this thesis we explore the working principles of CO2-based methanol synthesis. A simple model to estimate the equilibrium conversion of CO2 to methanol is developed in this thesis. A literature review is conducted concerning other experimental studies about methanol synthesis from CO2 and H2 with similar experimental setups as the one constructed in this master’s thesis. The highest single-pass conversion of CO2 to methanol achieved among the studies in the literature review was below 18% in typical reaction conditions (250 C, 50 bar) when the feed gas composition was stoichiometric. According to the equilibrium model developed in this thesis, the equilibrium conversion from CO2 to methanol is around 20 % at these conditions. By including re-circulation of unreacted gases back to the reactor, the overall conversion could be increased. Nevertheless, CO2-based methanol production has clear benefits over traditional syngas-based methanol synthesis, the most notable ones being the lower by-product formation and the possibility to make the process completely carbon neutral.Ilmastonmuutoksen mukanaan tuomat haasteet vaativat laajan kirjon uusia ratkaisuja kansainvälisten hiilineutraalisuustavoitteiden saavuttamiseksi. Power-to-X teknologioilla (P2X) tulee olemaan merkittävä rooli näiden tavoitteiden saavuttamisessa. P2X:llä tarkoitetaan sähköenergian muuntamista jonkin yhdisteen kemialliseksi energiaksi, josta energia voidaan myöhemmin hyödyntää. Metanolin tuotanto hiilidioksidista ja vedystä metanolisynteesin avulla mahdollistaa uusiutuvalla energialla tuotetun sähkön varastoimisen metanoliin, jota voidaan käyttää myöhemmin esimerkiksi polttoaineena. Prosessista on mahdollista tehdä täysin hiilineutraali, mikäli prosessiin tarvittava vety tuotetaan vedestä elektrolyysin avulla, ja hiilidioksidi otetaan talteen teollisuuden savukaasuista, tai suoraan ilmasta. Tämä diplomityö keskittyy metanolisynteesiin hiilidioksidista ja vedystä. Diplomityöhön sisältyy kokeellisen metanolireaktorilaitteiston rakentamisen suunnittelu ja toteutus. Koelaitteiston kokoonpano ja rakenne esitellään diplomityössä. Työssä tutustutaan CO2 -pohjaisen metanolisynteesin toimintaperiaatteisiin, ja metanolisynteesin kemiallisen tasapainon laskemiseen kehitetään yksinkertaistettu malli, jonka avulla voidaan arvioida hiilidioksidin suurinta mahdollista konversiota metanoliksi. Diplomityössä tehdään myös kirjallisuuskatsaus muiden aiemmin tekemiin, tässä työssä luodun koelaitteiston kanssa samankaltaisilla laitteistoilla tehtyihin kokeellisiin tutkimuksiin aiheesta. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastelluissa kokeellisissa tutkimuksissa suurin saavutettu konversio oli alle 18% tyypillisissä reaktio-olosuhteissa (250 C, 50 bar), kun syöttökaasun kokoonpano oli stoikiometrinen. Työssä kehitetyn mallin mukaan näissä olosuhteissa konversio hiilidioksidista metanoliksi on tasapainotilanteessa noin 20%. Kierrättämällä reagoimattomia kaasuja takaisin reaktoriin kokonaiskonversiota voitaisiin kasvattaa. CO2 -pohjaisella metanolisynteesillä on kuitenkin selkeitä etuja perinteiseen synteesikaasuun perustuvaan metanolisynteesiin nähden, merkittävimpänä vähäinen sivutuotteiden muodostuminen metanolisynteesissä, sekä mahdollisuus tehdä prosessista hiilineutraali.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Nyari, JuditKeywords
methanol, methanol synthesis, experimental setup, P2X, carbon dioxide, hydrogen
