Die Nutzung regenerativer Kohlenstoffquellen zur Erzeugung erneuerbarer Energieträger ist im Hinblick auf die klimapolitischen Herausforderungen der Zukunft ein wichtiger Bestandteil zur Minderung der Treibhausgasemissionen. Die P2X-Technologie stellt hierbei eine Schlüsselkomponente dar, da dadurch erneuerbarer (Überschuss-)Strom in C-basierte Grundstoffe für die Industrie aber auch in regenerative Brenn- und Kraftstoffe konvertiert und bei Bedarf gespeichert werden kann. Des Weiteren werden durch die Substitution fossiler Energieträger geopolitische Abhängigkeiten reduziert.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Bernd Stürmer
+49 711 78 70-249

P2X-Prozesse werden hinsichtlich des Aggregatzustandes des Produktes in folgende Sektoren eingeteilt:

  • Power-to-Gas
  • Power-to-Liquid
  • Power-to-Chemicals

Die verbindende Technologie aller drei Konversionspfade ist die Wandlung von Strom zu Wasserstoff via Elektrolyse. In einem der Wasserstofferzeugung nachgeschalteten Prozess, der sogenannten Synthese, kann der Wasserstoff unter Zugabe eines Kohlenstoffträgers (z.B. Kohlendioxid) durch Einsatz verschiedener Katalysatoren, Betriebsbedingungen und Prozessführungen in einen C-basierten Grundstoff bzw. Energieträger gewandelt werden.

Das ZSW kann bei Syntheseprozessen der Technologiefelder Power-to-Gas und Power-to-Liquid auf eine langjährige Erfahrung zurückgreifen und fungiert aufgrund der Kompetenzen als Ansprechpartner sowie Technologielieferant. Neben der Methanolsynthese wurde insbesondere die Methansynthese grundlegend untersucht sowie Prozesse zur Gewährleistung einer hohen Produktausbeute erarbeitet.

Methansynthese
ZSW-eigene 250 kW Methanisierungsanlage

Die Methansynthese, die Konvertierung von Kohlenoxiden mittels Wasserstoff zu Methan, wird am ZSW seit nun fast 20 Jahren intensiv untersucht. Von den Anfängen der selektiven Methanisierung von Kohlenmonoxid zur Erzeugung eines brennstoffzellentauglichen Brenngases bis hin zur Synthese von stöchiometrisch eingestellten Gasgemischen der P2X-Technologie zur Herstellung eines Erdgassubstitutes kann das ZSW auf ein großes Knowhow zurückgreifen. Denn je nach Einsatzgebiet und Gasbeschaffenheit sind die Betriebsbedingungen und Prozessführung der stark exothermen Methansynthese anzupassen sowie geeignete Katalysatoren auszuwählen. Das ZSW setzt bei den Verfahren zur Methansynthese insbesondere auf gekühlte Festbettreaktoren.

Für die Untersuchung von heterogenen Katalysatoren und die Erprobung bzw. Entwicklung von Reaktoren sowie Gesamtprozessketten, stehen verschiedene Versuchseinrichtungen zur Verfügung. So kann sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Entwicklung betrieben werden.

Gasaufbereitung und -konditionierung
Membraneinheit zur Konditionierung von Synthesegasen

Die Gesamtprozesskette der Bereitstellung erneuerbarer Energieträger aus regenerativen Kohlenstoffquellen weist meist eine Aufbereitung der Rohgase bzw. die Konditionierung von Produktströmen auf. Die Entfernung von Minorkomponenten aus Rohgasen, wie z.B. Schwefelverbindungen, erfolgt dabei in Hinblick auf nachgeschaltete, katalytische Prozesse, da Verunreinigungen hier Deaktivierungsmechanismen hervorrufen können. Am ZSW werden für die Entfernung von Minorkomponenten im Wesentlichen Sorbentien bzw. katalytische Verfahren eingesetzt.

Ein Verfahren zur Konditionierung von Gasströmen, der gezielten Einstellung einer Gasqualität, stellt die Membrantechnologie dar. Dabei werden die unterschiedlichen Stofftransportgeschwindigkeiten (Permeationsraten) einzelner Gaskomponenten durch eine Membran genutzt. Gegenüber anderen Gasaufbereitungsverfahren benötigt die Membrantechnologie nur einen vergleichsweise geringen verfahrenstechnischen Aufwand und ermöglicht bei modularem Aufbau eine schnelle Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen und einen großen Lastbereich. Die Technologie ist durch Auswahl einer geeigneten Membran für verschiedene Trennaufgaben einsetzbar und auch für kleinere Anlagen geeignet.

Komponenten- und Materialtests
Thermogravimetrische Analyse am ZSW

Zur Untersuchung einzelner Gaserzeugungs-, Gaskonditionierungs- und Gasreinigungsschritte sowie der Charakterisierung von Materialien, z.B. Sorbentien und Katalysatoren, stehen am ZSW verschiedene Versuchseinrichtungen zur Verfügung. Neben temperierten Mikro- und Makroreaktoren mit nachgeschalteten Gasanalysesystemen, wird auch die thermogravimetrische Analyse zur Bestimmung relevanter Parameter herangezogen. Bei der thermogravimetrischen Analyse (TGA) wird die Massenänderung einer Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen. Dadurch lässt sich bei Gas-Feststoff-Reaktionen der Umsatz zeitlich auflösen und durch Variation der Reaktionsbedingungen der Einfluss einzelner Parameter (z.B. Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung) ermitteln.

Für die Materialcharakterisierung mittels thermogravimetrischer Analyse verfügt das ZSW über zwei Testeinrichtungen:

-       Netzsch, STA 409 CD: Simultane TGA - DSC/DTA

-       Rubotherm, DynTherm: Magnetschwebewaage inkl. Massenspektrometer