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DGMK-Projekt Kraftstoffe

Flexible Wandlung von CO2 und EE-H2 zu Mitteldestillat-Komponenten durch Fischer-Tropsch-Synthese in Mikroreaktoren mit Hilfe von Eisen-Katalysatoren

Laufzeit
2019 – 2022 (30 Monate, geplant)
Forschungsstelle
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Mikroverfahrenstechnik
Dr. Oliver Görke, Prof. Dr.-Ing. Peter Pfeiffer, Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer

TU Bergakademie Freiberg (TUBAF)
Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
Professur Reaktionstechnik: Prof. Dr. Sven Kureti
Anlass und Ziel

Die Verringerung des CO2-Ausstoßes zur Begrenzung der globalen Erwärmung ist ein zentrales Ziel der Weltgemeinschaft. Im Rahmen des Pariser UN-Klimaabkommens wurde im Jahr 2015 beschlossen, die Erderwärmung auf maximal 2°C gegenüber dem vorindustriellen Zeitalter zu begrenzen. Die deutsche Bundesregierung verfolgt diese Zielsetzung im Rahmen ihrer Energiewende-Politik, die eine drastische Reduzierung des Ausstoßes an fossilem CO2 um 80% im Jahr 2050 vorsieht.
Da zur Zeit keine Alternative zu flüssigen Kraftstoffen im Luftverkehr besteht, gewinnt vor allem die Verwendung von CO2-neutralem synthetischen Mitteldestillat und insbesondere Kerosin zunehmend an Attraktivität. Zur Herstellung von synthetischem Mitteldestillat-Komponenten bietet sich die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) an. In der klassischen Verfahrensvariante besteht das Synthesegas aus H2 und CO, wobei neuere Arbeiten auch den Einsatz von CO2 untersuchen. Im FTS-Prozess wird in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, dem Reaktor- und Katalysatortyp ein breites Spektrum an kurz- und langkettigen paraffinischen und olefinischen Kohlenwasserstoffen erzeugt. Durch destillative Fraktionierung des flüssigen FTS-Produkts erfolgt schließlich die Gewinnung von Benzin, Kerosin, Diesel, Heizöl und auch Wachsen.
Zur nachhaltigen Minderung der CO2-Emisionen muss der für die FT-Synthese erforderliche Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser und der elektrische Strom aus EE-Quellen gewonnen werden. Dieses Konzept schließt damit auch die Speicherung der stark fluktuierenden regenerativen Energiequellen in Form von chemischer Energie (Mitteldestillat) ein, die im Flugzeug einer energetischen Nutzung zugeführt wird. Als mögliche CO2-Quellen für die FT-Synthese kommen (i) Abgasströme von Feuerungs- und Müllverbrennungsanlagen, (ii) Biogas sowie (iii) perspektivisch sogar CO2 aus der Luft in Frage, während CO und teilweise auch H2 durch die Vergasung von Biomasse und Müll oder Reformierung von Biogas erzeugt werden können.
Innovative Mikroreaktoren für die Fischer-Tropsch-Synthese ermöglichen durch optimierte Temperaturführung eine drastische Steigerung der Kraftstoffausbeute bezogen auf das Reaktorvolumen. Dies bedeutet eine erhebliche Verbesserung der Lastflexibilität, die für die Einkopplung regenerativer Energiequellen von besonderer Wichtigkeit ist. Häufige An- und Abfahrvorgänge bedingt durch den flexiblen Betrieb können aber bei falscher Fahrweise zu einer schnelleren Degeneration der zumeist eingesetzten, vergleichsweise kostenintensiven und toxischen Cobalt-Katalysatoren führen. Zudem besitzen Cobalt-Katalysatoren keine Wassergas-Shift-Aktivität, so dass diese Katalysatoren recht sensitiv auf das CO/CO2-Verhältnis im Feedgas reagieren.

Kurzbeschreibung

Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen des anvisierten Forschungsprojekts ein Verfahren zur lastflexiblen Umsetzung von CO2 und EE-H2 zu Mitteldestillat, insbesondere auch Kerosin, mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese entwickelt werden. Kern dieses Verfahrens sind Mikroreaktoren sowie neuartige Eisen-Katalysatoren. Das Vorhaben soll folgende Entwicklungsziele erreichen:


  • Entwicklung eines neuartigen FTS-Katalysators auf der Basis von Eisen, der sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet: (1) toxikologische Unbedenklichkeit, (2) günstiger Preis, (3) hohe Ausbeute an Mitteldestillat-Komponenten, (4) Dauerstabilität unter dynamischen Bedingungen

  • Integration des neuartigen Fe-Katalysators in mikrostrukturierte FTS-Reaktoren

  • Detaillierte Analyse der Produktzusammensetzung des FTS-Produkts resp. der Mitteldestillat-Fraktion

  • Evaluierung und Bewertung der Drop-In-Fähigkeit des Produkts (Diesel, Kerosin)

  • Validierung des Mikroreaktor-Konzepts mit neuem Fe-Katalysator an einer bestehenden Technikumsanlage (FTS-Produktmengen von ca. 2 kg/d)

  • Ökonomische Bewertung des lastflexiblen FTS-Verfahrens

Bearbeitungsstand

Der IGF-Antrag ist in Vorbereitung

TU Bergakademie Freiberg, IEC

Projektstatus

Projekt­koordination

Jan Ludzay

Leiter der Abteilung Verarbeitung und Anwendung

Nadine Ludzay

Koordination