Echtzeit-Einblicke in die Methanolsynthese

PtL - nachhaltige Luftfahrt

07.05.2020 09:56

Echtzeit-Einblicke in die Methanolsynthese: Dynamischer Betrieb einer Miniplant-Anlage am Fraunhofer ISE

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Methanol wird als chemischer Energieträger im Zuge der Energiewende an Bedeutung gewinnen. Im Rahmen des Projekts »Power-to-Methanol – Grünes Methanol« hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Dezember 2019 eine Miniplant-Anlage zur Methanolsynthese, also der Herstellung von Methanol aus Wasserstoff und CO2, erfolgreich in Betrieb genommen.

Die Miniplant-Anlage zeichnet sich durch eine zeitlich und räumlich hochauflösende Messtechnik aus. Der Aufbau ermöglicht die Erforschung u.a. der Methanolsynthese im Rahmen sogenannter Power-to-Liquid-Prozesse im industrienahen Maßstab. Schwerpunkte der Untersuchungen sind hierbei der dynamische Reaktorbetrieb sowie unkonventionelle Gaszusammensetzungen aus der Kopplung von elektrolytischem Wasserstoff mit CO2-haltigen Gasströmen.

Methanol ist mit einer Jahresproduktion von über 100 Mio. Tonnen bereits heute eine der wichtigsten Basischemikalien weltweit. Die konventionellen Herstellungsprozesse basieren auf fossilen Rohstoffen wie Erdgas, Kohle oder Erdöl, wurden in den vergangenen Jahrzehnten technisch etabliert, verursachen jedoch hohe CO2-Treibhausgasemissionen. »Dagegen bietet die Methanolsynthese im Rahmen sogenannter Power-to-Liquid-Verfahren das Potenzial, CO2 beispielsweise aus Biomasse zu binden und im Kreislauf zu führen«, erklärt Dr.-Ing. Achim Schaadt, Abteilungsleiter Thermochemische Prozesse am Fraunhofer ISE.
Das Projekt »Power-to-Methanol – Grünes Methanol«, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und von der DECHEMA e. V. geleitet wird, erforscht diese Art von Alternativen. Die industriellen Partner sind die CropEnergies AG als Mitglied der Südzucker-Gruppe, der Spezialchemiekonzern Clariant sowie die thyssenkrupp Industrial Solutions AG. Akademische Partner sind die Fraunhofer-Institute IGB und UMSICHT sowie die TU Bergakademie Freiberg. »Ziel des Projekts ist eine wissenschaftliche und wirtschaftliche Betrachtung der Machbarkeit einer Methanolsynthese aus erneuerbaren Energien und biogenem CO₂ aus einer Bioraffinerie zur Herstellung von erneuerbarem Ethanol«, so Projektleiter Max Hadrich, Teamleiter Power-to-Liquids am Fraunhofer ISE.

Untersuchung der Dynamik der Methanolsynthese

Die Miniplant-Anlage setzt Wasserstoff und CO2 in einem kontinuierlichen Prozess zu Methanol um. Dabei wird Wärme frei und es entsteht Wasser als Nebenprodukt. Zur fundierten großtechnischen Umsetzung dieses Verfahrens in Kombination mit einer Bioraffinerie sind auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft jedoch noch einige Fragestellungen offen. So führen beispielsweise solch hohe CO2-Anteile im Synthesegas zu einer beschleunigten Alterung des eingesetzten Katalysators und zu verringerten chemischen Umsätzen. Ferner können eventuelle Schwankungen in der Produktion des aus fluktuierenden erneuerbaren Energien hergestellten Wasserstoffs, ebenso wie Schwankungen im gekoppelten Prozess zur Bereitstellung von CO2 einen dynamischen Synthesebetrieb erfordern. »Hieraus ergeben sich vielfältige Kombinationen technischer Arbeitspunkte, die erst einmal untersucht werden müssen, bevor eine nachhaltige Methanolsynthese im Industriemaßstab umgesetzt werden kann. Eine solche Dynamik ist bei heutigen Prozessen schlicht nicht vorgesehen«, erklärt Florian Nestler, Doktorand am Fraunhofer ISE. Dr. Andreas Geisbauer, Power-to-Liquid-Experte beim Projektpartner Clariant bestätigt: »Methanol aus CO₂ und ‚grünem‘ Wasserstoff zu produzieren, stellt hohe Anforderungen an Katalysatoren. Die neue Anlage ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg, optimale Katalysatoren und Prozesse für diese anspruchsvolle Anwendung zu entwickeln.«

Simulation und Experimente aus einer Hand

Am Fraunhofer ISE werden die neuartigen Randbedingungen für die Methanolsynthese daher experimentell und mittels Simulationen mit Fokus auf den katalytischen Vorgängen im Synthesereaktor untersucht. Dazu wurde eine dynamische Simulationsplattform entwickelt, die stationäre und dynamische Wärmeübergänge, das Reaktionsverhalten und zeitliche sowie räumliche Temperaturkurven berechnen kann.
Um eine gute Übertragbarkeit auf eine Industrieanlage mit möglichst geringem Aufwand und in kurzer Zeit zu erreichen, wurde eine Maßstabsverkleinerung, der sogenannte Scale-Down, eines industriellen Synthesereaktors vollzogen. Dieser Reaktor steht im Zentrum einer Miniplant-Anlage, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE konzipiert und aufgebaut haben. Durch ein speziell angepasstes Kühlsystem kann im Betrieb der Anlage ein ähnliches thermisches und reaktionskinetisches Verhalten wie in einer großskaligen Anlage erreicht werden.

Modellierungs- und Simulationsansätze aus der Literatur sollen mithilfe dieser Anlage validiert und erweitert werden. Dazu wurde ein zeitlich und räumlich hochauflösendes Analytiksystem in die Miniplant integriert. Hierbei handelt es sich zum einen um eine dynamische Messung der Produktkonzentration mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) und zum anderen um eine ortsaufgelöste Temperaturmessung im Inneren des Reaktors durch eine neuartige faseroptische Messmethode. In Kombination erlauben diese Messdaten Echtzeit-Aussagen im Sekundenbereich über die Vorgänge im Reaktor und können zur Anpassung der Modellparameter sowohl für die stationäre als auch für die dynamische Simulation genutzt werden. Zukünftig können so neben Aussagen zur Reaktionskinetik auch Erkenntnisse zur Desaktivierung des Katalysators in Langzeitmessungen gewonnen werden. Betriebspunkte können sehr schnell charakterisiert werden, wodurch selbst umfangreiche Parameterräume zügig abgearbeitet werden können.

Die so gewonnenen Erkenntnisse werden mit der bestehenden dynamischen Simulationsplattform des Fraunhofer ISE verknüpft. Dies ermöglicht die Untersuchung von Lastwechseln, wie sie zukünftig in realen Industrieanlagen auftreten würden. Hieraus werden wiederum wertvolle Auslegungsdaten generiert, die dazu beitragen, dass Methanol aus nachhaltigen Rohstoffen und erneuerbarem Strom gewonnen und somit zukünftig in verschiedenen Anwendungen als Energiespeicher, Chemikalie, sowie Kraftstoff(additiv) genutzt werden kann.

Quelle: Fraunhofer ISE

DLR – Konzeptstudie für ökoeffizientes Fliegen

IASA e.V. - Konzeptstudie für Ökoeffizientes Fliegen

Ökoeffizientes Fliegen

  • In vier Jahren entsteht ein Konzept für die Perspektive eines nachhaltigen Luftverkehrs.
  • Antriebskonzepte für Kurzstreckenflugzeuge mit erheblich verringerten Emissionen und weniger Lärm unter Betrachtung von Batterien, Brennstoffzellen sowie Wasserstoff stehen im Fokus.
  • Auswirkungen auf das gesamte Öko- und Luftfahrtsystem, also auf Flughäfen, Airlines sowie die Flugsicherung und Atmosphäre werden untersucht.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Digitalisierung, klimaschonendes Fliegen

Wie müsste Elektromobilität am Himmel beschaffen sein, um die durch den Luftverkehr verursachten Emissionen drastisch zu senken? Wie können Flugzeuge mit alternativen Antrieben ökologisch und wirtschaftlich zugleich sein? Verändern solche neuartigen Flugzeuge das Luftfahrtsystem, beispielsweise Flughäfen oder Wartungshallen? Auf diese Fragen will das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) innerhalb der nächsten vier Jahre Antworten geben.

Konzeptstudie für Ökoeffizientes Fliegen

Seit Anfang des Jahres 2020 arbeiten 45 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 20 DLR-Instituten gemeinsam im Projekt EXACT (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) an der Entwicklung neuer Technologiebausteine für ein ökoeffizientes Verkehrsflugzeug.

Übergeordnetes Ziel ist es, bis zum Jahr 2040 die erforderlichen Technologien für ein ein solches Luftfahrzeug mit mindestens 70 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 Kilometern zur Einsatzreife zu bringen. Hierfür sollen im ersten Schritt unterschiedliche hybrid-elektrische Antriebskonzepte und mögliche Flugzeugkonfigurationen untersucht werden. Aber auch  Wechselwirkungen mit der Flughafeninfrastruktur werden betrachtet, ebenso wie sich neuartige Antriebe auf die Atmosphäre und somit auf das Klima auswirken „Das DLR verfügt über eine weltweit einzigartige Kompetenz für die Durchführung einer solch komplexen Studie In unserem 45-köpfigen Team bündeln wir unsere Kompetenzen aus den unterschiedlichen Forschungsbereichen. So erreichen wir sowohl die nötige thematische Breite als auch die wissenschaftliche Tiefe“, sagt Dr. Johannes Hartmann vom DLR-Institut für Systemarchitekturen der Luftfahrt, der das Projekt federführend leitet.

Digitaler Entwurfsprozess

Mit Hilfe von Daten aus dem gesamten Lebenszyklus eines Flugzeugs, vom Entwurf über die Produktion bis zum Betrieb und der späteren Entsorgung, verfügen die Forscherinnen und Forscher über Informationen, aus denen sie Wissen für den Flugzeugentwurf ableiten können. Die vorgegebenen Ziele sind, dass die Emissionen des Flugzeugs das Klima nicht negativ beeinflussen und es dabei gleichzeitig wirtschaftlich zu betreiben ist. Der Entwurfsprozess wird ganzheitlich betrachtet und anhand dieser Ziele ausgerichtet. Die Planung der Produktion, des Betriebs und der Wartung fließen von Anfang an in den Entwurf mit ein. In der Vergangenheit wurden Flugzeuge primär kostengetrieben entwickelt und ihre Klimawirkung erst im Nachgang analysiert. „Wir drehen diesen Prozess erstmals um und wählen damit einen revolutionären Ansatz für unsere Arbeiten“, erklärt Hartmann.

Klimaneutrale Antriebskonzepte

Flugzeuge mit verbesserter Klimabilanz erfordern grundlegend neue Antriebstechnologien. Das Projektteam untersucht, welche Antriebskonzepte für Kurzstreckenflugzeuge erheblich verringerte Emissionen und weniger Lärm im Betrieb zur Folge hätten und mit den Interessen der Wirtschaft vereinbar sind. Durch Batterien, Brennstoffzellen oder mit Wasserstoff angetriebene Flugzeuge bieten das Potenzial, diese Anforderungen miteinander in Einklang bringen.

Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik analysiert und bewertet bereits seit einigen Jahren die Leistungsklassen von Brennstoffzellen für die Luftfahrt. So werden unter diesem Aspekt Brennstoffzellen im Labor charakterisiert und im viersitzigen Passagierflugzeug Hy4 untersucht. Das im Projekt EXACT erarbeitete Wissen soll nun, mit Hilfe von Simulationsmodellen und Pilotanwendungen, das Zusammenspiel der hybriden Energiekonzepte in größerer Leistungsklasse bewerten und einsetzbar machen.

Luftverkehrssystem 2040

Neuartige Flugzeuge werden das gesamte derzeitige Luftfahrtsystem beeinflussen und umgekehrt. Dr. Kai Wicke vom DLR-Institut für Instandhaltung und Modifikation betrachtet im Projekt EXACT die betriebliche und ökologische Integration der neuen Flugzeugkonfigurationen: “Ob ein neuartiges Flugzeug mit Wasserstoff, Brennstoffzelle oder Batterie angetrieben wird – wir betrachten ganzheitlich, welche Auswirkungen dies auf das gesamte Öko- und Luftfahrtsystem hätte, also auf Flughäfen, Airlines sowie die Flugsicherung und Atmosphäre.“

Sein Team stellt Modelle für Klimawirkung, Lärm sowie Produkt- und Energielebenszyklen auf. Hierbei werden sowohl Umweltwirkungen als auch Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten untersucht. Würde ein Flugzeug mit Wasserstoff betankt, wären dafür spezielle Betankungssysteme nötig. Batterien müssten geladen, gelagert und recycelt werden können. Zu klären ist, welche Anforderungen die vorhandene Infrastruktur für den Betrieb eines neuen Flugzeugs stellt.

In vier Jahren soll ein erstes ganzheitliches Konzept für den umweltkompatiblen Luftverkehr stehen. Flugzeugingenieure, Atmosphärenforscher und Elektrotechniker aus 20 verschiedenen DLR-Instituten arbeiten gemeinsam daran, valide Modelle aufzustellen und Lösungen zu erarbeiten.

Ein ausführlicher Artikel zum Projekt findet sich auch in der aktuellen Ausgabe des DLR-Magazins.

Quelle: DLR

siehe auch: https://iasaev.org/de/dlr-emissionsfreier-antrieb-fuer-die-luftfahrt/


 

Nachhaltigkeit – einfach praktisch!

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