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Hydrogen recovery and utilization from water splitting processes = Wasserstoffrückgewinnung und -nutzung aus Wasserspaltungsprozessen
2018
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-07-03
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-225811
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/728648/files/728648.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/728648/files/728648.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
H2 recovery (frei) ; water splitting (frei) ; membrane (frei) ; CO2 utilization (frei) ; optimization (frei) ; explosion limits (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Einsatz von erneuerbarer Energie ist entscheidend um den gesteigerten Energiebedarf zu decken und gleichzeitig den globalen CO2 Ausstoß zu minimieren. Sonnenenergie kann neben der direkten Erzeugung von Elektrizität auch für die Produktion von H2 durch das photokatalytische Aufspalten von Wasser genutzt werden. In diesem Prozess entsteht ein explosives H2 sowie ein O2 Gemisch. Um die Entzündung zu verhindern, werden Inertgase eingesetzt, wodurch das Gemisch nicht in dem Entflammbarkeitsbereich liegt. Ziel der Arbeit ist die Identifizierung membranbasierter Prozesse, die das in einem photokatalytischen Prozess gewonnene H2 anreichern unter Gewährleistung von Sicherheits- und Entflammbarkeitsgrenzen. Zwei Inertgase (CO2, N2) zur Unterdrückung der Entflammbarkeit werden untersucht. Detaillierte Informationen zu der Entflammbarkeit von H2 mit diesen beiden Inertgasen und Bereiche der sicheren Betriebsbedingungen werden beschrieben. Um den Membranprozess effizienter und realistischer zu gestalten, wurde eine globale Optimierung des gesamten Prozesses mit kommerziell erhältlichen Membranmaterialien durchgeführt. Um hohe Ausbeuten und Reinheiten unter gleichzeitiger Einhaltung der Entflammbarkeitsgrenzen zu generieren, wurden unterschiedliche Verschaltungsschemen der Membraneinheiten evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass CO2 durch die stärkere Unterdrückung der Entflammbarkeit Vorteile gegenüber N2 bietet. Mit CO2 können höhere H2 Reinheiten bei geringeren spezifischen Kosten und geringeren O2 Konzentrationen erzielt werden. Allerdings führt der Einsatz beider Inertgase und die damit verbundene geringere H2 Konzentration des Feeds zu höheren Aufbereitungskosten. Weitere ökonomische Studien wurden durchgeführt, um den Einfluss der Feedzusammensetzung, leistungsstärkerer Polymermembranen (nicht kommerziell) und alternative Membrankonfiguration (Spiralwickelmembran/ Hohlfasermembran) zu evaluieren. Als anfängliche Prozessdesignarbeit wurde ein erneuerbares Methanolproduktionsverfahren vorgeschlagen, um Technologien in eine komplette petrochemische Anlage zu integrieren. Ziel der Integration war es, die Gesamtprozessökonomie durch die Herstellung eines höherwertigen Produktes zu verbessern. Bei diesem Ansatz wurde H2 aus einer photokatalytischer Wasserspaltung und gespeichertes CO2 verwendet. Im Gegensatz zum vorherigen Ansatz wurde der membranbasierte Trennungsprozess optimiert, um ein 3:1 H2- und CO2-Gemisch zu erzeugen. Diese binäre Mischung wurde als Ausgangsmaterial für eine direkte CO2 -Hydrierungs-Methanolsyntheseanlage verwendet. Basierend auf einer ökonomischen Analyse ist der Break-even-Wert des mit diesem Ansatz hergestellten Methanols höher als der aktuelle Marktpreis. Allerdings ist es mit denen in der Literatur vorgeschlagenen erneuerbaren Methanolrouten vergleichbar. Eine Sensitivitätsanalyse wurde an wirtschaftlichen und energetischen Parametern durchgeführt, um ihre Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz des vorgeschlagenen Verfahrens zu zeigen. Der CO2 Marktpreis zeigt sich als der dominante Faktor für die Ökonomie des Prozesses. Der Entwurfsansatz und die entwickelten Optimierungsmodelle beschränken sich nicht auf die H2-Rückgewinnung aus der photokatalytischen Wasserspaltung. Andere Gastrennungsanwendungen, die Entflammbarkeitseinschränkungen beinhalten, sind leicht implementierbar. Daher bieten die Modelle ein starkes Werkzeug für zukünftige Arbeiten.Renewable energy sources must be adopted in order to satisfy the increase in global energy demand all the while minimizing the carbon footprint. One obvious energy source is solar. Aside from traditional electricity generation technologies, solar energy can be utilized to produce H2 (as an energy carrier) via photocatalytic water splitting. In a typical process, both H2 and O2 are produced in the same reactor environment, thereby creating a potentially hazardous scenario. This obstacle can be avoided by utilizing flammability suppressants to recover the product outside the flammability regime. The scope of this thesis is to identify membrane-based processes to recover and utilize H2 generated from photocatalytic water splitting while maintaining safety and flammability constraints throughout the separation process. Two flammability suppressants were investigated, namely: N2 and CO2. Detailed information about H2 flammability in these two diluents and the impact of the operating conditions were described in order to identify the parametric range that ensures a safe separation process. To be more genuine in designing the membrane-based process, an optimization study for the whole process economic was implemented using commercially available membrane materials. These membrane units were incorporated in different process layouts to achieve high purity and recovery values while applying flammability constraints in all pertinent streams. The results for both suppressants revealed the advantage of CO2 over N2 as a suppressant, where the H2 product was recovered at a higher purity with lower specific cost and O2 concentration. However, both diluent systems revealed imposing recovery costs due to the low H2 concentration in the feed. Further studies were conducted to show the impact of varying feed compositions, high performance polymeric membrane materials (not commercialized), and alternative membrane configurations (hollow fiber / spiral wound) on the process economics. As a conceptual culmination of the initial process design work, a renewable methanol production route was proposed to integrate technologies into a complete petrochemical facility. Through integration, the aim was to improve the overall process economics through the production of a more value-added product. This approach utilized H2 from photocatalytic water splitting and captured CO2 (e.g. flue gas). Contrary to the previous approach, the membrane-based separation process was optimized to produce a 3:1 H2 and CO2 mixture. This binary mixture was used as the feedstock for a conceptual direct CO2 hydrogenation methanol synthesis plant. Based on a detailed economic analysis, the break-even value of the methanol produced using this approach is higher than the current market of methanol. However, it is very comparable to other renewable methanol routes proposed in the literature. Sensitivity analysis was carried out on different economic and energy parameters to show their impact on both economic and energy efficiencies of the proposed process. The sensitivity analysis revealed the strong influence of CO2 market price on the process economics over other considered parameters. The design approach and the optimization models developed in this study are not limited to H2 recovery from photocatalytic water splitting. Other gas separation applications, that involve flammability constraints, can be easily implemented. Hence, these models provide a strong tool for similar future works.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019737615
Interne Identnummern
RWTH-2018-225811
Datensatz-ID: 728648
Beteiligte Länder
Germany
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