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

Synthetisches Kerosin – Verbrennung deutlich sauberer als bei konventionellen Kraftstoffen

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

P2X – Synthetisches Kerosin

Synthetisches Kerosin, hergestellt im Power-to-X-Verfahren aus Luft und Strom, setzt bei der Verbrennung 30- bis 100-mal weniger Schadstoffe frei als herkömmliches Kerosin. Das ist das Ergebnis einer Analyse des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt im Kopernikus-Projekt P2X, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und unter anderem vom DECHEMA e.V. koordiniert wird. IASA e.V. ist seit 2019 Partner im P2X Projekt, zuständig für die Evaluierung von PtL-Praxis-Projekten an Flughäfen.

Das Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat erstmals synthetisches Kerosin aus der Power-to-X-Versuchsanlage des Kopernikus-Projekts P2X im Hinblick auf seine Zusammensetzung und Verbrennungseigenschaften untersucht.

Das Ergebnis: Der synthetische Kraftstoff ist nicht nur klimafreundlich und erfüllt die gesetzlich vorgeschriebenen Verbrennungseigenschaften, sondern setzt zudem noch 30- bis 100-mal weniger Rußvorläufer frei als herkömmliches Kerosin. Diese Schadstoffe entstehen als Zwischenprodukte in der Verbrennung. So enthält das synthetische Kerosin keine nennenswerten Mengen an aromatischen Kohlenwasserstoffen, die bei herkömmlichem Kerosin einen Großteil der Rußbildung verursachen.

Damit können synthetische Kraftstoffe nicht nur erheblich zur CO2-, sondern auch zur Schadstoff-Minimierung im Luftverkehr beitragen. Möglich sind diese guten Ergebnisse durch das besondere Verfahren der Kerosin-Produktion in der Power-to-X-Versuchsanlage, die Partner im Kopernikus-Projekt P2X im August 2019 als weltweit erste containerbasierte integrierte Anlage in Betrieb genommen haben. In vier Schritten stellt sie synthetischen Kraftstoff allein aus Luft und Strom her. Zukünftig könnten Anlagen wie diese z.B. in wind- und sonnenreichen Gegenden aus grünem Strom flexibel erneuerbare Kraftstoffe produzieren, die konventionelles Kerosin, Diesel oder Benzin ersetzen können.

Die P2X-Versuchsanlage vereint vier innovative Technologien von Partnern aus Forschung und Industrie in einer Prozesskette:

1. Zunächst filtert die Anlage klimaschädliches Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Umgebungsluft, um es anschließend für die Herstellung von Kraftstoff zu nutzen. Die Technik dafür entwickelte Climeworks, ein Spin-off der ETH Zürich.

2. Den Hochtemperatur-Co-Elektrolyseur für den nächsten Schritt entwickelte das Technologieunternehmen Sunfire. Er spaltet das CO2 der Luft zusammen mit Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das sogenannte Synthesegas.

3. Aus dem Synthesegas werden im dritten Prozessschritt Kohlenwasserstoff-Ketten gebildet (Fischer-Tropsch-Synthese). In den von INERATEC entwickelten mikrostrukturierten Reaktoren kann dies sehr effizient durchgeführt werden, da die Oberfläche für die Reaktion deutlich vergrößert ist. Während der Reaktion entsteht Dampf, der an anderen Stellen in der Prozesskette genutzt werden kann.

4. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) integrierte das Modul für den vierten und letzten Schritt in die Prozesskette. Beim sogenannten Hydrocracken werden die zu langen Kohlenwasserstoffketten gespalten und so die Qualität und die Ausbeute an dem gewünschten Produkt erhöht.

Weiterführende Links:

Link zum wissenschaftlichen Paper: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2019.05.015

Nähere Informationen zur P2X-Luft-zu-Kraftstoff-Anlage: https://www.elab2.kit.edu/index.php

sowie im Video des YouTubers Cedric Engels alias „Doktor Whatson“ https://www.youtube.com/watch?v=qq0fjl0LQXo

 

ÜBER DAS KOPERNIKUS-PROJEKT P2X

Das Kopernikus-Projekt P2X untersucht Technologien, die erneuerbare Energie, CO2 und Wasser in andere Energieformen umwandeln, zum Beispiel in Kraft- und Kunststoffe, in Wärme und Gase, Chemikalien und Kosmetika.

ÜBER DIE KOPERNIKUS-PROJEKTE

Die Kopernikus-Projekte bilden eine der größten deutschen Forschungsinitiativen zur Energiewende. Ihr Ziel ist es, eine saubere, sichere und bezahlbare Energieversorgung für Deutschland zu ermöglichen. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) entwickeln sie ganzheitliche Lösungen zum Erreichen der Klimaziele: In allen Projekten arbeiten Vertreter aus Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft zusammen. Über zehn Jahre erarbeiten sie bis 2025 klimafreundliche Lösungen bis zur Anwendung im industriellen Maßstab.

Quelle: DECHEMA

1st European Summit on CO2-based Aviation Fuels

International Association for Sustainable Aviation e.V.

CO2 als Rohstoff für einen emissionsarmen Flugverkehr nutzen – das ist die Zukunft

Auf dem “1st European Summit on CO2-based Aviation Fuels”, am 23. März 2020 in Köln, geht es um nachhaltige Strategien und Lösungen für einen klimafreundlichen Luftverkehr.

 

Die entscheidende Frage für die Zukunft des Flugverkehrs lautet: Wie gehen wir mit den Treibhausgasemissionen des Luftverkehrs und ihren schwerwiegenden Auswirkungen auf das Klima um? Die technischen Möglichkeiten sind begrenzt. Die elektrisch betriebene Luftfahrt ist in den nächsten Jahrzehnten nur für Kurzstreckenflüge geeignet. Die Verwendung von bio-basiertem Kerosin wird von NGOs stark kritisiert.

Erste Ökobilanzen zeigen, dass die Footprints von E-Kraftstoffen insbesondere für Land und Wasser im Vergleich zu bio-basierten Flugkraftstoffen deutlich geringer sind (siehe Abbildung zur Landnutzung), zumal der enorme Bedarf nicht durch biogene Seitenströme oder Bioabfälle gedeckt werden kann. Das Potenzial für Kraftstoffe auf Basis von Energie aus Sonnen-, Wind- und Wasserkraft sowie CO2 ist bei weitem größer als das von Biokraftstoffen.

Dennoch gibt es viele Fragen zu beantworten. Welche Technologie ist die beste? Wie kann man kostengünstige erneuerbare Energien, Wasserstoff und CO2, bereitstellen? Wo sind die besten Standorte für die Produktion? Welche möglichen Geschäftspartner sind bereit, jetzt in eine PtL-Produktionsanlage zu investieren? Welche Strategien sind für die Umsetzung von CO2-basierten Flugkraftstoffen die besten? Was ist mit dem Kohlenstoffausgleichs- und Reduktionsschema (CORSIA) und dem Europäischen Emissionshandelssystem (ETS)? Wie kann sichergestellt werden, dass die Luftfahrtnormen eingehalten werden? Welche Fluggesellschaften sind bereit, nachhaltige Flugtreibstoffe (SAFs) zu verwenden, auch wenn sie zunächst teurer sind als fossile Treibstoffe? Was ist politisch notwendig in Bezug auf Vorschriften und internationale Unterstützung?

Der “1st European Summit on CO2-based Aviation Fuels”, am 23. März 2020 in Köln, richtet sich an Entscheidungsträger aus Politik, Organisationen, Fluggesellschaften und der jeweiligen Industriezweige. Die International Association for Sustainable Aviation (IASA) und das nova-Institut laden Sie herzlich ein, an diesem wichtigen Event teilzunehmen.

Die eingeladenen Referenten kommen aus der Politik, der Luftfahrtindustrie, dem Umweltschutz und der Technologieentwicklung. Folgenden Referenten haben ihre Teilnahme bereits zugesagt: Alexandru Iordan, SAF+ Consortium (Kanada), Gunnar Holen, Nordic Blue Crude (Norwegen), Harry Lehmann, Umweltbundesamt (UBA) (Deutschland), Juha Lehtonen, VTT (Finnland) und Prof. Roland Dittmeyer, KIT (Deutschland).

Tickets können Sie hier buchen: http://co2-chemistry.eu/aviationfuels/

 

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