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Catalytic methanation of industrially-derived CO2

English title Catalytic methanation of industrially-derived CO2
Applicant Borgschulte Andreas
Number 153928
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Mobilität, Energie und Umwelt Empa
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.10.2014 - 31.01.2018
Approved amount 341'270.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Physical Chemistry
Condensed Matter Physics
Inorganic Chemistry
Material Sciences

Keywords (7)

sulphur poisoning; methanation; catalysis; enzyms; CO2; degradation; redox cycles

Lay Summary (German)

Lead
Synthetisches Erdgas ist die zurzeit einzige Möglichkeit für eine flächendeckende saisonale Speicherung von fluktuierender, erneuerbarer Energie (Power-to-gas). Wir arbeiten an neuen Verfahren und Katalysatoren für die Methanisierung von CO2 aus z.B. der Zementherstellung unter Zuhilfenahme von erneuerbarem Wasserstoff. Die dabei zu erarbeitenden Erkenntnisse sollen zum einen der Verbesserung bestehender Katalysatorkonzepte dienen, zum anderen die Grundlage für die Entwicklung radikal neuer Katalysatoren bilden, die die Wirkungsweise biologischer Enzyme imitieren.
Lay summary

Erneuerbare Energie aus Sonne und Wind unterliegt einem täglichen und saisonalen Wechsel, der fast diametral der Nachfrage nach Energie entgegensteht. Die Verwendung von nicht speicherbarer Elektrizität für die Produktion eines chemischen Energieträgers wie Wasserstoff oder Methan (synthetisches Erdgas, SNG) ist die zurzeit einzige Möglichkeit für eine flächendeckende saisonale Speicherung (Power-to-gas). Wasserstoff wird aus Wasser hergestellt, für die Methanisierung ist zudem noch CO2 nötig, welches z.B. bei der Zementproduktion in grösseren Mengen freigesetzt wird. Das Power-to-gas Verfahren kann problemlos in die bestehende Infrastruktur integriert werden, d.h. Erdgasleitungen und Endverbrauch durch Heizungen und Gasturbinen, ohne dass größere Anpassungen nötig werden. Die Herausforderung besteht in der kostengünstigen und effizienten Produktion des Gases aus erneuerbarer Elektrizität. In diesem Zusammenhang wichtige Fragestellungen sind die gewünschte hohe Resistenz des Katalysators gegenüber Verunreinigen in den Eduktgasen und eine entsprechend lange Lebensdauer. Im Rahmen des Projektes wird ein neu entwickeltes Methanisierungsverfahren angewendet, die sogenannte Sorptionskatalyse, um über eine Adaption der Regenrationszyklen (Redox-Zyklen) sowohl eine verbesserte Resistenz gegenüber Schwefelverunreinigungen als auch einer Verringerung von Kohlenstoffresten auf der Katalysatoroberfläche zu erreichen. Zusätzlich zu dieser direkt anwendbaren Forschung sollen die Forschungsresultate grundlegende Fragen zur Katalyse lösen: In der Natur gibt es schwefelhaltige Enzymkatalysatoren. Deren Wirkungsweise soll in einem technischen Katalysator adaptiert werden, um völlig neue Methanisierungskatalysatoren zu realisieren.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Development of improved nickel catalysts for sorption enhanced CO2 methanation
Delmelle R., Duarte R. B., Franken T., Burnat D., Holzer L., Borgschulte A., Heel A. (2016), Development of improved nickel catalysts for sorption enhanced CO2 methanation, in International Journal of Hydrogen Energy, 41(44), 20185-20191.
The hydrogen grand challenge
Borgschulte Andreas (2016), The hydrogen grand challenge, in Front. Energy Res. 4:11. , 4(11), 1-8.
Manipulating the reaction path of the CO2 hydrogenation reaction in molecular sieves
Borgschulte A., Callini E., Stadie N., Arroyo Y., Rossell M. D., Erni R., Geerlings H., Zuettel A., Ferri D. (2015), Manipulating the reaction path of the CO2 hydrogenation reaction in molecular sieves, in CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY, 5(9), 4613-4621.
Water distribution in a sorption enhanced methanation reactor by time resolved neutron imaging
Borgschulte Andreas, Delmelle Renaud, Duarte Renata B., Heel Andre, Boillat Pierre, Lehmann Eberhard, Water distribution in a sorption enhanced methanation reactor by time resolved neutron imaging, in Physical Chemistry Chemical Physics.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Thomas Elsaesser, Dr. Michael Woerner, MBI Berlin Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Bill David, Dr. Martin O. Jones, ISIS, Science and Technology Facilities Council, RAL, Didcot Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
DVGW / KIT Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Prof. Dr. Markus Friedl Institut für Energietechnik HSR Hochschule für Technik Rapperswil Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Prof. Bernard Dam, Prof. H. Geerlings, TU Delft / Royal Dutch Shell Netherlands (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Prof. Peter Hamm, Prof. Roger Alberto, Chemistry Department, Uni Zürich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Prof. Max Fichtner, Dr. Olaf Jedicke (et al.), KIT Karlsruhe Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Prof. Joris Proost, Uni Louvain Belgium (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Swissmem Technology Meeting Poster CO2 reduction and reuse: Renewable fuels for efficient electricity production 08.03.2018 Zürich, Switzerland Delmelle Renaud;
SAOG 2018 Poster Optical Emission from catalytic Combustion of Methanol/Air on Yb2O3 supported metal catalysts 01.02.2018 Fribourg, Switzerland Wenger Andrina; Terreni Jasmin; Borgschulte Andreas;
Kinderuniversität Zürich Individual talk Wie planen wir eine Stadt auf dem Mars? 22.11.2017 Zürich, Switzerland Terreni Jasmin; Borgschulte Andreas;
URPP LightChec Symposium Poster Neutrons envision Catalysis of CO2 reduction 10.11.2017 University, Switzerland Borgschulte Andreas; Delmelle Renaud; Terreni Jasmin;
The 2nd Empa-AIST Joint Workshop on “Energy Materials” Talk given at a conference Neutrons Support Renewable Energy Technology 10.10.2017 AIST Kansai center, Japan Borgschulte Andreas; Terreni Jasmin;
SAOG 2017 Poster Sulfur on Nickel Catalysts Impedes the Adsorption of Reaction Products 27.01.2017 Fribourg, Switzerland Borgschulte Andreas; Terreni Jasmin;
Swiss-Japanese Workshop 2016 Talk given at a conference Advanced Analytical Tools for Energy Storage 05.10.2016 Tokio, Japan Borgschulte Andreas;
SCS Fall meeting Poster Sulfur on Nickel Catalysts Impedes the Adsorption of Reaction Products 15.09.2016 Zürich, Switzerland Borgschulte Andreas; Terreni Jasmin;
SAOG - Swiss Working Group for Surface and Interface Science 2016 Poster Unravelling the mechanism of catalytic CO2 reduction by transition metal sulfides 22.01.2016 Fribourg, Switzerland Delmelle Renaud; Borgschulte Andreas;
SAOG - Swiss Working Group for Surface and Interface Science 2016 Poster Enhancement of hydrogen permeation through metallic membranes by polymer coating 22.01.2016 Fribourg, Switzerland Borgschulte Andreas; Delmelle Renaud;
SAOG 2016 Poster Unravelling the mechanism of catalytic CO2 reduction by transition metal sulfides 22.01.2016 Fribourg, Switzerland Delmelle Renaud; Terreni Jasmin; Borgschulte Andreas;
MRS Fall meeting Boston Poster In-situ study of sorption enhanced CO2 methanation: kinetics, catalyst deactivation and new reactor concept 29.11.2015 Boston, United States of America Borgschulte Andreas; Duarte Renata Bessa; Delmelle Renaud;
Gordon Research Conference Hydrogen in metals Talk given at a conference Hydrogen dye oxides 12.07.2015 Stone Hill College, Easton, MA , United States of America Delmelle Renaud; Borgschulte Andreas;
Tagung Biomasseforschung in der Schweiz - Substratvorbehandlung, Gärgutnachbereitung, dezentrale Lösungen, Zukunftsvisionen Talk given at a conference Smart Cat – Biogas-Upgrade durch kontinuierliche CO2-Methanisierung 23.04.2015 Bern, Switzerland Borgschulte Andreas; Delmelle Renaud;
Tagung Biomasseforschung in der Schweiz - Substratvorbehandlung, Gärgutnachbereitung, dezentrale Lösungen, Zukunftsvisionen Poster SMARTCAT Self-Regenerating Sorption Catalyst for CO2 Methanation 23.04.2015 Bern, Switzerland Delmelle Renaud; Duarte Renata Bessa; Borgschulte Andreas;
Technology Briefing: Power to Gas in der Mobilität Poster Sorption enhanced CO2 methanation: fundamental investigations and proof of concept 25.02.2015 Dübendorf, Switzerland Borgschulte Andreas; Delmelle Renaud;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Biomethan vom Bauernhof (Ökostrom Schweiz) Talk 23.11.2015 Zofingen, Switzerland Borgschulte Andreas;
Technology Briefing: Power to Gas in der Mobilität Talk 25.02.2015 Dübendorf, Switzerland Borgschulte Andreas;


Self-organised

Title Date Place
Workshop Practical Renewable Energy Storage 27.10.2017 Empa Akademie Dübendorf, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Dem Wasserstoffauto gehört die Zukunft Süddeutsche Zeitung International 2016
Media relations: print media, online media Power-to-gas plants use renewable energy to make sustainable fuel MRS Bulletin, 41, 190; M. Fellet International 2016
Media relations: print media, online media Renewable fuels for sustainable electricity production International Innovation International 2016
Media relations: print media, online media Wasserstoff ist so sicher wie Erdgas 20min German-speaking Switzerland 2016
Media relations: print media, online media Bio-Treibstoff direkt vom Bauernhof BauernZeitung German-speaking Switzerland 2015

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172662 Ultra-High Pressure Hydride X-ray Photoelectron Spectroscopy 01.03.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The objective of this project is the development of catalysts and processes for the methanation of CO2 from cement industry for the production of sustainable methane. A particular problem associated with CO2 from cement industry is - similar to biofuels - its contamination by sulphur compounds, which deactivate conventional catalysts. The contaminants origin from cheap high sulphur fuels and pyritic sulphur containing cement kilns. To overcome this problem, two strategies are applied: a microstructural regeneration, possible by recently developed sorption catalysts, and exploration of the possibility to use bio-inspired sulphur resistant catalysts.
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