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Development of a biological process for surplus electricity conversion to biogas via hydrogen

Giantsiou, Nikoletta

Wind and solar energy have a vital role to play as promising renewable energy sources. However, energy demand and consumption varies thus, making these energy sources subject to both seasonal as well as hourly variation. In times of overproduction a high percentage of wind or solar energy is judged to be a surplus. The Power – to – Gas (PtG) concept can contribute so as amounts of renewable energy are not wasted, but are rather used. The PtG concept combines the excess generated electricity from renewable sources with the anaerobic digestion process. Surplus electricity can be converted to methane via hydrogen production by water electrolysis and then hydrogen utilization for biological methanation. The present work focuses on biological methanation with hydrogen utilization in the anaerobic digestion process. Different experimental systems were installed and operated in a continuous way. The supply of hydrogen to the anaerobic digester for in – situ biogas upgrading as well as implementation of an ex – situ biogas upgrading process for hydrogen and carbon dioxide utilization, as the sole feeding stream, were examined. In this study, different CSTR reactors, treating sewage sludge, were evaluated. The experiments were conducted at mesophilic temperature. Hydrogen was injected. Various operational conditions were implemented. The treatment system’s performance was monitored. The effects of different hydrogen flow rates on the process performance were monitored. For further improvement of methane yield, biogas recirculation was tested. High conversion efficiency was obtained. Methane production rate was increased compared to the control reactor. Methane content resulted in higher percentages both for in – situand ex – situ processes. The results suggest that hydrogen utilization into the anaerobic process can account for a possible way to deal with the high share of variable renewable power production. Surplus electricity can be converted to methane, an easily storable and grid compatible gas.

Wind- und Solarenergie spielen eine gewichtige Rolle als erfolgsversprechende erneuerbare Energiequellen. Der Energiebedarf und der Energieverbrauch sind jodoch variabel, deshalb unterliegen diese Energiequellen stündlichen und jahreszeitlichen Schwankungen. In Zeiten der Überproduktion, kann ein hoher Anteil der Wind- und Solarenergie, als Überschuss betrachtet werden. Das Power to Gas Prinzip (kurz PtG, kann mit „Elektrische Energie zu Gas“ übersetzt werden) kann dazu beitragen, dass die überschüssige Energie nicht verschwendet, sondern gespeichert wird. Bei dem PtG Prinzip, wird der Überschuss der erneuerbaren Energie, mit der anaeroben Vergärung kombiniert. Stromüberschuss kann in Methan umgewandelt werden. Dies geschieht durch Wasserstofferzeugung mittels Wasserelektrolyse und durch die anschließende Verwendung von Wasserstoff für die biologische Methanisierung. Die vorliegende Arbeit legt den Schwerpunkt auf die biologische Methanisierung mit der Verwendung von Wasserstoff in der anaerobe Vergärung. Verschiedene Verschuchssysteme wurden installiert und fortlaufend betrieben. Die Einspeisung von Wasserstoff in den anaeroben Fermenter einer in – situBiogasaufbereitung und ein ex – situ Prozess für die Biogasaufbereitung, in dem ausschließlich Wasserstoff und Kohlendioxide zugegeben wurden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden verschiedene CSTR Reaktoren, in denen Klärschlamm behandelt wurde, untersucht. Die Experimente fanden unter mesophilen Bedingungen statt. Wasserstoff wurde hinzugeführt. Verschiedene Betriebsbedingungen wurden umgesetzt. Die Leistung des Behandlunssystems wurde überwacht. Die Wirkungen von verschiedenen Wasserstoffdurchflussmengen auf die Effektivität des Prozesses wurde ebenfalls überwacht. Zur weiteren Optimierung des Methanertrags, wurde eine Rueckfuehrung des Biogases untersucht. Ein hoher Umwandlungswirkungsgrad konnte erreicht werden. Die Produktionsrate von Methan stieg an, im Vergleich zu einem Kontrollreaktor. Sowohl beim in – situ, als auch beim ex – situ Prozess Konnten höhere Methankonzentrationen beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von Wasserstoff im anaeroben Prozess, eine Möglichkeit für die Verwendung von überschüssigen, erneuerbaren Energien darstellen kann. Stromüberschüsse können zu Methan umgewnadlet werden und und sind so einfach speicherbar.

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Giantsiou, Nikoletta: Development of a biological process for surplus electricity conversion to biogas via hydrogen. 2018.

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