Rohrreaktor und Verfahren zum Betreiben eines Rohrreaktors

Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan und ein Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors .

Die Stromerzeugung schwankt mit zunehmendem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien während des Tagesverlaufs. Um ein Überangebot an Strom in Zeiten mit viel Sonne und starkem Wind bei niedriger Nachfrage nach Strom ausgleichen zu kön nen, benötigt man regelbare Kraftwerke oder Speicher, um die se Energie zu speichern.

Eine der derzeitig angedachten Lösungen ist das Umwandeln von elektrischer Energie in Wertprodukte, die insbesondere orga nische Plattformchemikalien oder Synthesegas, welches Kohlen stoffmonoxid und Wasserstoff umfasst, darstellen. Eine mögli che Technik zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wert produkte stellt die Elektrolyse dar.

Die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine im Stand der Technik bekannte Methode dar. Der in dem Elektrolyseprozess hergestellte Wasserstoff kann mit ei ner Kohlenstoffdioxid umfassenden Komponente zu Methan und Wasser reagieren. Das Methan kann dann vorteilhaft direkt in die bestehende Erdgasinfrastruktur eingespeist werden.

Da die regenerativen Energiequellen wie Windenergie und So larenergie nicht regelmäßig bereitstehen, kommt es bei der Produktion von Wasserstoff aus der Elektrolyse zu Schwankun gen hinsichtlich der produzierten Wasserstoffmenge. Diese Schwankungen führen zu Fluktuationen des Wasserstoffvolumen- stroms in einen Methanisierungsreaktor und können daher bei der Methanisierungs-Reaktion nachteilig zu einer Fluktuation der Produktgasqualität führen. Dadurch ist es nachteilig nö tig, das produzierte Erdgas vor einer Einspeisung in das Erd- gasnetz aufzubereiten. Ein zusätzlicher Aufbereitungsprozess führt nachteilig zu einem komplexeren Gesamtaufbau der Anlage und zu höheren Prozesskosten.

Eine Möglichkeit diesen schwankenden Wasserstoffström auszu gleichen besteht darin, einen WasserstoffSpeicher zwischen dem Wasserelektrolyseur und dem Reaktor zur Methanisierung anzuordnen. Die Wasserstoff-Fluktuationen werden auf diese Weise gepuffert. Nachteilig sind diese WasserstoffSpeicher aber sehr groß, wartungs- und kostenintensiv.

Trotz Einsatz eines WasserstoffSpeichers kann es dennoch zu langfristigen Unterbrechungen der Wasserstoffzufuhr kommen, sodass der Reaktor nicht betrieben werden kann. Um das anfäh ren des Reaktors nach einer Unterbrechung möglichst kurzfris tig gewährleisten zu können, werden die Reaktoren während der Stillstandzeit beheizt. Dieses Beheizen ist nachteilig kos ten- und energieintensiv.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Reaktor und ein Ver fahren zum Betreiben eines Reaktors anzugeben, welcher eine flexible und energieoptimierte Herstellung von Methan bei fluktuierender Wasserstoffzufuhr ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einem Rohrreaktor gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines Rohrreaktors gemäß An spruch 14 gelöst.

Der erfindungsgemäße Rohrreaktor zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan umfasst eine erste Reaktionszone mit einem ersten Katalysatorbett mit einer ersten Dichte und einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich. Weiterhin umfasst der Rohrreaktor eine zweite Reaktionszone mit einem zweiten Kata lysatorbett mit einer zweiten Dichte und einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich. Weiterhin umfasst der Rohr reaktor eine dritte Reaktionszone mit einem dritten Katalysa torbett mit einer dritten Dichte und einer Temperatur in ei nem dritten Temperaturbereich, wobei die erste Dichte unter- halb der zweiten Dichte, und die zweite Dichte unterhalb der dritten Dichte liegen. In anderen Worten nimmt die Dichte des Katalysatorbetts in Flussrichtung des Eduktgases, insbesonde re des Wasserstoffs, zu. Die Reaktionszonen sind im Rohrreak tor in Flussrichtung hintereinander angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan umfasst mehrere

Schritte. Zunächst wird ein Rohrreaktor mit wenigstens drei Reaktionszonen bereitgestellt, wobei jede der drei Reaktions zonen ein Katalysatorbett umfasst. Dabei umfasst jede Reakti onszone ein Katalysatorbett mit einer definierten Dichte, wo bei die jeweiligen Dichten des Katalysatorbetts in Flussrich tung des Eduktgases zunehmen. In diesen Rohrreaktor wird ein Eduktgas umfassend Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in eine erste Reaktionszone hinzugeführt. In dieser ersten Reaktions zone liegt eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich vor, bei der ein erster Anteil von Wasserstoff und Kohlen stoffdioxid zu einem ersten Anteil von Methan umgesetzt wird. Anschließend werden sowohl das nicht reagierte Eduktgas, ins besondere der Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid, und das Methan in eine zweite Reaktionszone geführt. In dieser zwei ten Reaktionszone wird bei einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich aus einem zweiten Wasserstoffanteil und dem Kohlenstoffdioxid ein zweiter Methananteil produziert. Dieser zweite Methananteil ist größer als der erste Methananteil. In anderen Worten wird in der zweiten Reaktionszone eine größere Menge Methan als in der ersten Reaktionszone hergestellt. An schließend werden das Eduktgas, welches nicht umgesetzten Wasserstoff umfasst, und das Methan, welches in der ersten und zweiten Reaktionszone hergestellt wurde, in eine dritte Reaktionszone geführt. In der dritten Reaktionszone wird ein dritter Anteil des Wasserstoffs mit Kohlenstoffdioxid zu ei nem dritten Anteil Methan bei einer Temperatur in einem drit ten Temperaturbereich umgesetzt.

Vorteilhaft ermöglicht das Führen des Eduktgases umfassend Wasserstoff durch die unterschiedlichen Reaktionszonen mit zunehmender Katalysatorbett-Dichte ein flexibles Umsetzen von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid ohne den Einsatz eines gro ßen kostenintensiven WasserstoffSpeichers und ohne den Ein satz einer Temperierung während einer Reaktionsunterbrechung, sodass das flexible Umsetzen des Wasserstoffs bei geringem Energieverbrauch möglich ist.

Die erste Reaktionszone stellt eine Anfahrzone dar. Der erste Temperaturbereich dieser Zone sollte zweckmäßigerweise über einer Mindesttemperatur liegen, die oberhalb der Reaktions zündtemperatur und oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser, insbesondere 100 °C, liegt. Die erste Reaktionszone umfasst das Katalysatorbett mit der geringsten Dichte.

Die zweite Reaktionszone weist eine Temperatur in einem zwei ten Temperaturbereich auf. Diese sollte insbesondere unter halb der Temperatur liegen, die die Stabilität des Katalysa tors begrenzt. In dieser Zone erfolgt der größte Umsatz des Wasserstoffs. Das zweite Katalysatorbett weist eine höhere Dichte verglichen mit der ersten Reaktionszone auf.

In der dritten Reaktionszone wird der Wasserstoff umgesetzt, welcher in den ersten beiden Reaktionszone noch nicht umge setzt wurde. Vorteilhaft ist, wenn die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich geringer als in dem zweiten Tempe raturbereich ist. Wie bereits in der ersten Reaktionszone sollte die Temperatur in dieser dritten Reaktionszone zweck mäßigerweise aber oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser und oberhalb der Reaktionsstarttemperatur liegen. Dies wird durch ein besonders dichtes Katalysatorbett erreicht Die dritte Reaktionszone weist ein Katalysatorbett mit einer dritten Dichte auf, wobei diese dritte Dichte höher als die erste und zweite Dichte ist, also die höchste Dichte des Rohrreaktors aufweist. Da der Eduktgasvolumenstrom zu Beginn der jeweiligen Zone schwanken kann und ein Umsatz in der je weiligen Reaktionszone dennoch noch gewährleistet ist, kann dieser Reaktoraufbau mit fluktuierendem Eduktgasstrom betrie ben werden. Typischerweise schwankt der gesamte Volumenstrom des Eduktgases. Das Verhältnis von Wassersstoff und Kohlen stoffdioxid bleibt dabei aber im Eduktgas konstant, insbeson dere wird ein stöchiometrisches Verhältnis der Eduktgase ein gestellt. Insbesondere die dritte Reaktionszone sorgt dafür, dass ein Restanteil an Wasserstoff umgesetzt wird, der je nach Eingangsvolumenstrom des Eduktgases niedrig oder hoch sein kann.

Es ist weiterhin möglich, dass mehrere Reaktionszonen dersel ben Art, also insbesondere mit derselben Katalysatorbettdich te, hintereinander angeordnet sind. Diese werden dann von ei ner Zuführvorrichtung für das Kühlmedium voneinander ge trennt .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der zweiten und dritten Reaktionszone eine Zuführvorrichtung für ein Kühlfluid angeordnet. In die ser vorteilhaften Ausgestaltung wird direkt in die dritte Reaktionszone ein Kühlfluid gegeben. Alternativ ist denkbar, dass die dritte Reaktionszone mittels einer indirekten Küh lung, insbesondere über einen eingebrachten Wärmetauscher, gekühlt wird.

Vorteilhaft lässt sich eine direkte Kühlung mittels eines Kühlfluids, insbesondere Wasser, dynamisch, also nach Bedarf, zudosieren. Das Umsetzen von Wasserstoff zu Methan ist exo therm, wodurch bei einem hohen Umsatz eine hohe Energiemenge freigesetzt wird, welche aus dem System herausgebracht werden muss, bevor das Gemisch aus Wasserstoff und Methan die dritte Reaktionszone durchströmt. So ist es möglich, bei Zuführen einer geringen Eduktgasmenge in den Rohrreaktor, also bei ei nem hohen relativen Umsatz, insbesondere in der zweiten Reak tionszone, eine große Kühlleistung durch einen hohen Kühl fluidstrom vor der dritten Reaktionszone zu erreichen. Für den Fall dass eine große Eduktgasmenge zu Beginn in den Rohr reaktor geführt wird, da gerade viel Energie im Stromnetz zur Herstellung von Wasserstoff vorhanden ist, kann ein geringe rer Kühlfluidstrom zugeführt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt die Temperatur in dem dritten Temperaturbe reich unterhalb der Temperatur in dem zweiten Temperaturbe reich. Da die Dichte des Katalysatorbetts in der dritten Reaktionszone aber oberhalb der zweiten Dichte des Katalysa torbetts in der zweiten Reaktionszone liegt, ist gewährleis tet, dass der Anteil an Wasserstoff, der in den ersten beiden Reaktionszone nicht umgesetzt wurde, hier umgesetzt wird. Vorteilhaft trägt dazu sowohl die hohe Katalysatorbett- Dichte, als auch die niedrige Temperatur in der dritten Reak tionszone bei, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung liegt die Temperatur in der ersten Reakti onszone in einem ersten Temperaturbereich, der von 100 °C bis 400 °C reicht. Besonders vorteilhaft liegt die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich zwischen 150 °C und 250 °C. Vor teilhaft wird die in der ersten Reaktionszone entstehende Wärme in die zweite Reaktionszone mittels der Edukte und Pro dukte transportiert und somit zum Heizen der zweiten Reakti onszone verwendet. Vorteilhaft wird in Abhängigkeit des Volu menstroms des Eduktgases die Eintrittstemperatur in die erste Reaktionszone, in die zweite Reaktionszone und/oder in die dritte Reaktionszone angepasst. Bei geringen Volumenströmen wird die Heizleistung in der ersten Zone niedriger einge stellt, da die Verweilzeit des Eduktgases in der ersten Reak tionszone höher ist und damit anteilig am Eduktgas mehr umge setzt werden kann. Bei hohen Volumenströmen des Eduktgases durch die erste Reaktionszone wird die Eintrittstemperatur, insbesondere in die erste Reaktionszone höher eingestellt, da die Verweilzeit des Eduktgases in der ersten Reaktionszone kürzer ist. Weiterhin ist der anteilige, in anderen Worten relativ zur Eduktgasmenge, Umsatz geringer als bei niedrigen Eduktgasströmen .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung beträgt die maximale Temperatur des zwei- ten Temperaturbereichs 600 °C. Besonders vorteilhaft beträgt die Maximaltemperatur des zweiten Temperaturbereichs 500 °C. Vorteilhaft wird diese Maximaltemperatur derart gewählt, dass sowohl die Festigkeit des Reaktormaterials als auch die Sta bilität des Katalysators gewährleistet werden können. In die ser zweiten Reaktionszone wird ein hoher Umsatz von Wasser stoff mit Kohlenstoffdioxid zu Methan erzielt, was zu hohen Wärmemengen führt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die maximale Temperatur nicht zu überschreiten. Das kann mittels einer indirekten Kühlung, insbesondere durch das Einbringen von Kühlmedien durchströmten Bauteilen, insbesondere in Form von Wärmetauschern, erfolgen. Alternativ kann auch ein direk tes Kühlen mittels eines Kühlfluids, insbesondere Wasser, durchgeführt werden, wobei das Wasser in die zweite Reakti onszone eingedüst wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung liegt die Temperatur im dritten Tempera turbereich zwischen 200 °C und 400 °C. Besonders vorteilhaft liegt die Temperatur im dritten Temperaturbereich zwischen 250 °C und 350 °C. Vorteilhaft liegt die Temperatur im drit ten Temperaturbereich unterhalb der Temperatur des zweiten Temperaturbereichs bei hoher Katalysatorbettdichte, wodurch sichergestellt wird, dass der noch nicht umgesetzte Wasser stoff und das Kohlenstoffdioxid in der dritten Reaktionszone zu Methan umgesetzt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung umfasst die erste Reaktionszone eine Hei zung. Diese Heizung gewährleistet vorteilhaft, dass die Mini maltemperatur für den Reaktionsstart erreicht wird. Weiterhin gewährleistet die Heizung, dass die Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Wassers liegt. Wasser wird als Produkt während des Umsetzens des Wasserstoffs mit Kohlen stoffdioxid zu Methan produziert. Zusätzliches Wasser kann nach Bedarf als Kühlfluid in den Rohrreaktor geführt werden. Das Wasser sollte dampfförmig vorliegen, um die Stabilität des Katalysatorbetts zu erhalten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfassen das erste, das zweite und/oder das dritte Katalysatorbett eine poröse Metallstruktur zur Aufnahme des Katalysators. Die Metallstruktur ist vorteilhaft elektrisch leitend. Vorteilhaft weisen solche metallischen Grundstruktu ren eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin ermöglichen diese Strukturen ein hohes Oberflächen zu Volumenverhältnis, was einen effektiven Wärmeeintrag in den Reaktor ermöglicht. Der Wärmeeintrag kann über eine Beheizung der Reaktorwand, welche mit der Metall struktur in direktem Kontakt steht, erfolgen. Dies ermöglicht einen im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatorpellets besse ren Wärmeeintrag. Dies ist insbesondere in der ersten Reakti onszone vorteilhaft. Alternativ kann die Metallstruktur mit Elektroden verbunden sein. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden und den elektrischen Widerstand in der Metall struktur kann ein Temperaturanstieg der Metallstruktur er reicht werden. Das Kontaktieren der Metallstruktur mit Elekt roden ermöglicht einen noch schnelleren Wärmeeintrag im Ver gleich zur Kontaktierung der Metallstruktur mit einer Hei zung. Das schnelle Beheizen der ersten Reaktionszone ist be sonders dann vorteilhaft, wenn der Reaktor bei einer Unter brechung der Eduktzufuhr unterhalb einer Minimaltemperatur abgekühlt ist und daher bei erneutem Einsatz des Reaktors schnell beheizt werden muss, um die Anfahrtstemperatur zu er reichen .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Katalysator als poröses Schüttgut in den Rohrreaktor eingebracht.

Eine alternative Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfin dung besteht darin, eine Metallstruktur mit Katalysator zu beschichten .

Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer mit Katalysa tor beschichteten Metallstruktur, welche mit Elektroden ver- bunden ist, um eine direkte und damit auch vorteilhaft schnelle Heizung der Metallstruktur und somit des Katalysa tors zu erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung stammt der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser. Besonders vorteilhaft kann der Rohrreaktor mit den drei Reaktionszonen mit dem fluktuierenden Wasserstoff strom aus der Elektrolyse in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie dynamisch betrieben werden.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung un ter Bezugnahme auf die beiliegende Figuren. Darin zeigen schematisch :

Figur 1 einen Rohrreaktor mit drei Reaktionszonen;

Figur 2 einen Rohrreaktor mit drei Reaktionszonen, Reakti onsumsatz und drei Temperaturbereichen;

Figur 3 eine Metallstruktur eines Katalysatorbetts des

Rohrreaktors ;

Figur 4 ein Verfahrensschema der Methanisierung des Wasser stoffs mittels des Rohrreaktors.

Figur 1 zeigt einen Rohrreaktor 1 mit einer ersten Reaktions zone 11, einer zweiten Reaktionszone 12 und einer dritten Reaktionszone 13. Die erste Reaktionszone 11 umfasst ein ers tes Katalysatorbett 14 mit einer ersten Dichte. Die zweite Reaktionszone 12 umfasst ein zweites Katalysatorbett 15 mit einer zweiten Dichte. Die dritte Reaktionszone 13 umfasst ein drittes Katalysatorbett 16 mit einer dritten Dichte. Die Reaktionszonen sind im Rohrreaktor 1 hintereinander hinsicht lich der Strömungsrichtung des Eduktgases umfassend Wasser stoff 2 und Kohlenstoffdioxid 3 angeordnet. Zwischen der zweiten Reaktionszone 12 und der dritten Reaktionszone 13 be- findet sich eine Zuführvorrichtung 9 für ein Kühlfluid. Am Ende des Rohrreaktors 1 verlassen Methan 4 und Wasser 5 als Produktstrom den Rohrreaktor 1.

Die Dichte des Katalysatorbetts in der jeweiligen Reaktions zone nimmt in Richtung der Strömung des Eduktgases zu. D. h., die erste Reaktionszone weist das Katalysatorbett mit der niedrigsten Dichte auf, die dritte Reaktionszone das Kataly satorbett mit der höchsten Dichte.

Der Katalysator ist insbesondere vorteilhaft in einer Metall struktur 30 angeordnet. Diese Metallstruktur wird in Figur 3 näher erläutert.

Figur 2 zeigt ebenfalls den Rohrreaktor 1 mit der ersten Reaktionszone 11, der zweiten Reaktionszone 12 und der drit ten Reaktionszone 13. Weiterhin zeigt Figur 2 in Längsrich tung des Rohrreaktors 1, also in Strömungsrichtung des Edukt gases, eine y-Achse 8, welche die Länge des Rohrreaktors 1 beschreibt. Figur 2 zeigt quer zur Strömungsrichtung der Eduktgase eine x-Achse 7, welche sowohl den Reaktionsumsatz als auch die Temperaturbereiche beschreibt.

Die Methanisierungs-Reaktion kann mit Gleichung 1 beschrieben werden .

4 H ₂ +C0 ₂ CH ₄ + 2 H ₂ 0 Gleichung 1

Aus Figur 2 wird deutlich, dass die erste Reaktionszone 11 mit dem ersten Katalysatorbett 14 mit einer ersten Dichte ei ne Anfahrzone für die Methanisierungs-Reaktion nach Gleichung 1 darstellt. In dieser ersten Reaktionszone herrscht eine erste Temperatur in einem ersten Temperaturbereich zwischen 100 °C und 400 °C, besonders bevorzugt zwischen 150 °C und 250 °C. Dieser Temperaturbereich ist in Figur 2 als Band dar gestellt. Die Temperatur muss zweckmäßigerweise die Reakti onsstart-Temperatur überschreiten. Außerdem sollte die Tempe ratur oberhalb von 100 °C liegen, damit das während der Reak- tion entstehende Wasser dampfförmig vorliegt. Weiterhin zeigt Figur 2 anhand des Umsatzes, dass die Reaktion in dieser ers ten Reaktionszone startet. Die Dichte des Katalysatorbetts 14 in dieser ersten Reaktionszone 11 ist gering, um ausgeprägte Temperaturspitzen aufgrund der exothermen Reaktion zu vermei den. Auf der anderen Seite muss die Dichte des Katalysator betts 14 ausreichend hoch sein, um so viel Wärme zu produzie ren, dass die Beheizung der folgenden zweiten Reaktionszone 12 gewährleistet werden kann. Die in der ersten Reaktionszone 11 entstandene Wärmemenge wird verwendet, um die zweite Reak tionszone 12 mittels Konvektion zu beheizen.

Figur 2 zeigt weiterhin, dass die zweite Reaktionszone 12 ein höheres Temperaturniveau als die erste Reaktionszone 11 auf weist. Die Temperatur in der zweiten Reaktionszone 12 liegt typischerweise maximal bei 600 °C, insbesondere maximal bei 500 °C. Diese maximale Temperatur darf nicht überschritten werden, damit die Festigkeit des Reaktormaterials und die Stabilität des Katalysators bestehen bleibt. Figur 2 zeigt auch, dass in dieser zweiten Reaktionszone 12 der größte Reaktionsumsatz stattfindet. Aufgrund der höheren Katalysa tordichte ist dieser hohe Umsatz möglich. Allerdings wird der Umsatz in dieser zweiten Reaktionszone 12 durch die Tempera tur begrenzt, da die maximale Temperatur trotz der exothermen Reaktion nicht überschritten werden darf.

Figur 2 zeigt weiterhin, dass die Temperatur in der dritten Reaktionszone 13 unterhalb der Temperatur in der zweiten Reaktionszone 12 liegt. Die Temperatur in der dritten Reakti onszone 13 liegt typischerweise in einem Bereich von 200 °C bis 400 °C, insbesondere in einem Bereich von 250 °C bis 350 °C. Um diese Temperaturunterschiede von der zweiten Reakti onszone 12 in die dritte Reaktionszone 13 zu erreichen, be darf es einer Kühlung entweder zwischen den beiden Reaktions zonen, oder innerhalb der dritten Reaktionszone 13.

In diesem Ausführungsbeispiel wird mittels der Zuführvorrich tung 9 als Kühlmittel Wasser 5 hinzugegeben. Es handelt sich in diesem Beispiel also um eine direkte Kühlung. Alternativ, aber hier nicht gezeigt, ist es möglich, dass die dritte Reaktionszone 13 mittels Wärmetauscherstrukturen indirekt ge kühlt wird. Wasser als Kühlmittel ist insbesondere bei der direkten Kühlung vorteilhaft, da es einerseits, insbesondere aufgrund der Verdampfungsenthalpie, eine ausreichend große Kühlwirkung erzielen kann und andererseits bereits als Pro dukt im Rohrreaktor 1 vorhanden ist, sodass keine zusätzli chen Komponenten in das System geführt werden müssen. Die dritte Katalysatordichte 16 sollte höher sein als die ersten beiden Katalysatorbettdichten, um eine ausreichende Reakti onsgeschwindigkeit bei geringen Temperaturen und geringen Eduktkonzentrationen zu erreichen. Wie auch in der ersten Reaktionszone 11 wird der Temperaturbereich nach unten durch die Reaktionsstarttemperatur und die Kondensationstemperatur des Wassers 5 begrenzt. Figur 2 verdeutlicht, dass nach der dritten Reaktionszone 13 nahezu Vollumsatz erreicht wird.

Die drei Reaktionszonen 11, 12, 13 ermöglichen durch die un terschiedlichen Dichten der drei Katalysatorbetten 14, 15 und

16 den Betrieb für unterschiedliche Wasserstoff-Eingangskon- zentrationen . Aufgrund der für jede Reaktionszone festgeleg ten Temperaturbänder ist es möglich, den Reaktor dynamisch zu betreiben. Insbesondere das Kühlfluid Wasser 5 kann über die Zuführvorrichtung 9 flexibel in unterschiedlichen Mengen hin zu geführt werden und so die dritte Reaktionszone entspre chend des Umsatzes und der Temperatur der ersten beiden Reak tionszonen derart temperieren, dass das Eduktgas Wasserstoff 2 mit Kohlenstoffdioxid 3 nahezu vollständig zu Methan umge setzt wird. Ein großer WasserstoffSpeicher zum Speichern des Wasserstoffs in Zeiten von hoher Wasserstoffproduktion ist vorteilhaft nicht nötig.

Sowohl Figur 1 als auch Figur 2 zeigen beispielhaft, dass die zweite Reaktionszone die größte Länge aufweist. In dieser zweiten Reaktionszone wird der größte Umsatz erreicht. Sowohl in Figur 1 als auch in Figur 2 sind drei Reaktionszonen dar gestellt. Es ist aber insbesondere möglich, dass mehrere zweite Reaktionszonen 12 hintereinander angeordnet sind. Dann kann auch die Länge der zweiten Reaktionszone 12 geringer sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass zwischen diesen zweiten Reaktionszonen 12 Zuführvorrichtungen für das Kühl mittel Wasser vorhanden sind, um eine Temperierung unterhalb der maximalen Temperatur für jede der zweiten Reaktionszonen 12 zu erreichen.

Figur 3 zeigt eine Metallstruktur 30, auf welche der Kataly sator aufgebracht werden kann. Diese Metallstruktur 30 weist insbesondere eine Diamanteinheitszelle auf, welche Zwischen räume aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Me tallstruktur mit Katalysator beschichtet, sodass eine Kataly satorschicht 32 auf dem Metallträger 33 entsteht. Vorteilhaft weist diese metallische Grundstruktur eine hohe Wärmeleitfä higkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem weist diese Struktur ein hohes Oberflächen- zu Volumenver hältnis auf, was einen effektiven Wärmeeintrag in den Reaktor 1 ermöglicht.

Der Wärmeeintrag in den Rohrreaktor 1 kann über die Beheizung einer Reaktorwand des Rohrreaktors 1 erfolgen. Dann ist es zweckmäßig wenn die Reaktorwand des Rohrreaktors 1 die Me tallstruktur 30 direkt kontaktiert.

Alternativ ist es besonders bevorzugt, dass die Metallstruk tur 30 von Elektroden kontaktiert wird und bei Anlegen einer Spannung aufgrund des elektrischen Widerstands erhitzt wird. Dies ermöglicht eine sehr effiziente und schnelle Erwärmung der Metallstruktur 30, was den Wärmeeintrag in den Rohrreak tor 1 energieeffizient gestaltet. Vorteilhaft kann weiterhin bei der Unterbrechung der Eduktzufuhr der abgekühlte Rohrre aktor 1 schnell elektrisch beheizt werden und somit schnell wieder die Betriebstemperatur der ersten Reaktionszone 11 er zeugt werden. Diese beschichtete Metallstruktur 30 liegt be sonders vorteilhaft in der ersten Reaktionszone 11 vor. Es ist aber auch möglich, dass die Metallstruktur 30 auch in der zweiten Reaktionszone 12 und in der dritten Reaktionszone 13 angeordnet ist.

Figur 4 zeigt schematisch die Verschaltung des Rohrreaktors 1, also der Methanisierung 10, mit der Elektrolyse 40, einer Aufbereitungsanlage 50 und dem Erdgasnetz 60.

Wasser 5 wird mittels elektrischer Energie, insbesondere wenn Überschussenergie bei viel Wind und Sonne vorhanden ist, zu Wasserstoff 2 und Sauerstoff 17 gespalten. Der Wasserstoff 2 wird in den Rohrreaktor 1 zu Methanisierung 10 geführt. Au ßerdem wird Kohlenstoffdioxid 3 zugeführt. Während der Metha nisierung 10 wird aus dem Kohlenstoffdioxid 3 und dem Wasser stoff Methan 4 und Wasser 5 hergestellt. Das Methan 4 wird anschließend in eine Methanaufbereitungsanlage 50 geführt, wo es so aufgearbeitet wird, dass es in das Erdgasnetz 60 gelei tet werden kann. Alternativ zu dem Führen in die Erdgaslei tung ist es denkbar, dass das Methan 4 für Folgereaktionen verwendet wird. Eine weitere Alternative ist das Einsetzen des Methans als Treibstoff, insbesondere für Fortbewegungs mittel, insbesondere Fahrzeuge.