Das heutige Energiesystem basiert auf Kohlenstoff (C)-haltigen Energieträgern, die überwiegend fossilen Ursprungs sind. Auch im post-fossilen Zeitalter werden Märkte für unverzichtbare C-basierte Kraft- und Rohstoffe existieren (z.B. Kerosin für den Flugverkehr bzw. Methanol und Ethylen für die chemische Industrie), welche sich aus den Ressourcen „Wasser“, „erneuerbarer Strom“ und „nachhaltiger Kohlenstoff“ synthetisch erzeugen lassen. Neben Luft-CO2 müssen zukünftig Biomasse bzw. biogene Reststoffe oder unvermeidbare Kunststoffabfälle als nachhaltige C-Ressourcen genutzt werden, um den Bedarf an synthetisierten C-Produkten zu decken. Eine nahezu vollständige Kohlenstoffbereitstellung für P2X-Prozesse kann durch thermochemische Konversionstechnologien wie die Oxyfuel-Verbrennung oder Wirbelschicht-Vergasung erfolgen.

Ansprechpartner

Dr. Jochen Brellochs
+49 711 78 70-211
OxyFuel-Verbrennung

Bei der Oxyfuel-Verbrennung wird anstelle von Luft als Oxidationsmittel ein Gemisch aus O2, CO2 und Wasserdampf verwendet und somit ein N2-freies Oxyfuel-Abgas bestehend aus den Hauptkomponenten CO2 und Wasserdampf erzeugt. Das ZSW entwickelt die nahestöchiometrische Oxyfuel-Verbrennung von festen (biogenen) Reststoffen, um neben Prozesswärme Oxyfuel-Abgase mit einem CO2-Anteil von knapp 99 Vol.-% und Rest-O2-Gehalten > 0,5 Vol.-% im Trockenen bereitzustellen. Somit kann CO2 unabhängig von CO2-Quellen für die Erzeugung C-basierter P2X-Produkte effizient prozessintegriert erzeugt werden. Durch die direkte Kombination mit einem P2X-Prozess kann der für die Oxyfuel-Verbrennung benötigte O2 direkt aus der Elektrolyse gewonnen werden, was die Effizienz deutlich steigert. Für die Entwicklungsarbeiten stehen dem ZSW eine umfangreiche anwendungsnahe Testumgebung bestehend aus Wirbelschicht- und FLOX®-Reaktor (flammenlose Oxidation, FLOX®) zur Verfügung. Die Wirbelschicht ist für Verbrennungstemperaturen bis 950°C ausgelegt. Im FLOX®-Reaktor sind Temperaturen bis 1100°C möglich. Die Brennstoffwärmeleistung beträgt jeweils maximal 15 kWth.

Testumgebung zur Verfahrensentwicklung im Themenfeld „thermochemische Konversionstechnologien“ am ZSW, bestehend aus Mediendosierung, Medienerhitzung (links), stationärer Wirbelschicht mit Zyklon, FLOX®-Reaktor, Heißgasfilter und Gaswäscher sowie Gasanalyse mit Volumenstrommessung (rechts).
Hydrierende Vergasung

Im Bereich der rohstofflichen Verwertung für Kunststoffabfallmischfraktionen (inkl. PVC-haltiger Abfälle) verfolgt das ZSW einen innovativen Ansatz. Im Gegensatz zur thermischen Verwertung via Verbrennung werden die Kunststoffabfälle mit erneuerbarem Wasserstoff aus der Elektrolyse hydrierend vergast und stehen somit für eine rohstoffliche Verwertung zur Verfügung. Das ZSW fokussiert im Themenfeld hydrierende Vergasung auf die hocheffiziente Direkt-Erzeugung von Methan in einem Wirbelschichtreaktor. Das so erzeugte Methan (CH4, Erdgassubstitut) ist aufgrund der heute bestehenden Erdgasinfrastruktur speicherbar, verteilbar und flexibel einsetzbar. Alternativ kann über die hydrierende Vergasung auch ein Synthesegas bereitgestellt werden, welches sich bspw. für die erneute Kunststoffproduktion im Sinne einer CO2-armen Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft eignet.

Aufwand und Nutzen bei der konventionellen O2/H2O-Vergasung und hydrierenden H2-Vergasung in Kombination mit der Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Elektrolyse zur Erzeugung von Erdgassubsitut.t
Aufwand und Nutzen bei der konventionellen O2/H2O-Vergasung und hydrierenden H2-Vergasung in Kombination mit der Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Elektrolyse zur Erzeugung von Erdgassubsitut.
Wirbelschicht-Vergasung
Die ZSW 10kWth Wirbelschicht Anlage mit Heißgas-Partikelabtrennung

 

Die autotherme Wirbelschicht-Vergasung in einem H2O/O2-Gemisch eignet sich für die thermochemische Konversion von festen (biogenen) Reststoffen in ein Synthesegas. Der Fokus der Entwicklungsarbeiten am ZSW liegt dabei auf der Kopplung mit P2X-Prozessen. Durch diese Verfahrenskombination kann eine Nutzung des Elektrolyse-O2 für die Vergasung sichergestellt und ein Upgrade des Synthesegases mit Elektrolyse-H2 erreicht werden. Sowohl in Kunststoffabfällen als auch in biogenen Reststoffen ist der Wasserstoff-Gehalt zu gering, um einen nahezu vollständigen Kohlenstoff-Transfer in das synthetisierte P2X-Produkt zu gewährleisten.