Der Energie Campus Nürnberg befasst sich mit der Energietechnik von morgen aus verschiedenen Blickwinkeln. Im Teilprojekt Große Speicher (Second Generation Fuels) wird die Speicherung von Wärme und Überschussstrom aus Erneuerbaren Energien über lange Zeiträume untersucht. Dafür eignen sich insbesondere Methan bzw. SNG (synthetic natural gas), welches in bestehende Gasnetze eingespeist werden kann, oder Methanol, welches als einfach zu händelnder flüssiger Energieträger und Grundstoff für die Chemie vielseitig nutzbar ist. Die aktuelle Herausforderung ist die Entwicklung neuer bzw. Optimierung verfügbarer Systeme für instationäre Synthesen, um in Echtzeit auf Marktschwankungen reagieren zu können.

Der EnCN ermöglicht hier die Kooperation der Lehrstühle EVT und CRT. Die Expertise am EVT besteht dabei in der Erprobung und Validierung neuartiger Reaktorkonzepte für die heterogene Katalyse der Methanerzeugung. Am CRT wird im Labormaßstab an Katalysatoren für die nächste Reaktorgeneration sowohl für die Methanol- als auch für die Methansynthese geforscht. Außerdem soll eine dynamische Optimierung und Simulation verschiedener Reaktorkonzepte erfolgen

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Methansynthese mittels innovativem Heatpipe-gekühlten Reaktorkonzept (EVT)

Am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik (EVT) wird für bereits kommerziell verfügbare Katalysatoren ein isothermes Reaktorkonzept mit Wärmespeicher mit Wärmerohren (Heatpipes) erarbeitet. Das Konzept soll letztendlich im Labormaßstab (20 kW Gasleistung) erprobt werden. Aktuelles Paper aus der Arbeit am EVT.

Die Notwendigkeit für das neue Reaktorkonzept ergibt sich daraus, dass die Erzeugung gasförmiger und flüssiger Energieträger aus erneuerbaren Energien wie Wind, PV oder auch Biomasse sich von der bereits etablierten großtechnischen Erzeugung synthetischer Sekundärenergieträger in folgenden Merkmalen unterscheidet:

Sie wird in sehr viel kleineren, dezentralen Einheiten ablaufen.
Der Betrieb wird sich dynamisch dem Stromangebot anpassen müssen.
Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist eine effiziente Nutzung der Abwärme der in der Regel exothermen Synthesen zu realisieren.

Für das Vergleichmäßigen transienter Betriebsbedingungen eignet sich insbesondere die Kombination von Heatpipes und Wärmespeichern. Heatpipes können Temperaturpeaks, die durch die Exothermie der Synthese besonders am Eintritt des Synthesegases in die Katalysatorschüttung eines Festbettkatalysators auftreten, wesentlich reduzieren. Wird die aus dem Festbett abgeführte Reaktionswärme in Latentwärme- oder thermochemischen Speichern zwischengespeichert, kann diese Wärme verwendet werden, um in Stillstandszeiten die Katalysatorschüttung auf Betriebstemperatur zu halten.

Die Heatpipes können im Synthesebetrieb hohe Wärmeströme aus dem Katalysatorschüttung abführen und in einem Wärmespeicher zwischenspeichern. Für den für die Methanisierung und Methanolsynthese idealen Temperaturbereich von 200 bis 300°C eignet sich besonders Wasser als Arbeitsfluid für die Heatpipes. Ein wesentlicher Vorteil einfacher Wasser-Heatpipes gegenüber eines konventionellen, mit Wasser betriebenen Kühlmittelkreislaufs besteht darin, dass die hohen Drücke, die bei den Temperaturen von 250 bis 300°C (40 bis 86 bar) entstehen würden, aufgrund der geringen Heatpipe-Durchmesser viel einfacher und kostengünstiger beherrscht werden können, als in Kreisläufen mit großvolumigen Sammlern und Trommeln. Pumpen und Armaturen entfallen. Dasselbe gilt auch im Vergleich zu Thermoölkreisläufen. Allerdings wäre auch mit Thermoöl ein druckloser Betrieb des Kühlkreislaufs möglich.

Dynamische Optimierung und Simulation des Reaktorkonzepts (CRT)

Die Professur für Katalytische Reaktoren und Prozesstechnik am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik befasst sich mit der mathematischen Modellierung und Simulation des vom Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik entwickelten innovativen Reaktors zur Methanisierung von Kohlenstoffdioxid.

Ziel dieses Arbeitspakets ist es, sowohl das stationäre als auch das dynamische Reaktorverhalten im Modell darzustellen und mittels Simulationen und numerischen Optimierungsmethoden Ansätze für einen verbesserten Reaktorbetrieb abzuleiten. Dynamische Reaktormodelle der Methanisierung in Festbettreaktoren sind zunehmend Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Eine systematische Untersuchung von verschiedenen Modellkandidaten unterschiedlicher Komplexität soll Aufschluss über die wichtigsten Einflussgrößen auf die Genauigkeit dynamischer Reaktormodelle geben. Im nächsten Schritt der Modellentwicklung wird die Validität eines oder mehrerer Modellkandidaten anhand von experimentellen Daten überprüft. Für die Modelldiskriminierung liegen Messdaten von stationären sowie dynamischen Experimenten vor. Perspektivisch ermöglicht ein solches validiertes Reaktormodell auch theoretische Untersuchungen zum Reaktorverhalten im großtechnischen Maßstab (1MW).

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Prof. Dr.-Ing. Hannsjörg Freund

FAU Erlangen-Nürnberg / Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik , insbes. Katalytische Reaktoren und Prozesstechnik

Entwicklung und Optimierung von Katalysatoren für die instationäre Methan- und Methanolsynthese (CRT)

In der Arbeitsgruppe Komplexe Katalysatorsysteme und kontinuierliche Verfahren unter Dr. Jakob Albert am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik (CRT) werden Degradationsmechnismen von Katalysatoren für die Methanolsynthese untersucht.

Durch die fluktuierende Bereitstellung von erneuerbarer Energie werden neuartige Energiespeicher- und Transportkonzepte benötigt. Eine Möglichkeit stellt die chemische Energiespeicherung über Wasserelektrolyse dar. Dabei werden aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff gebildet. Letzterer ist auf Grund seiner geringen volumetrischen Energiedichte, seiner schlechten Transporteigenschaften als Gas und seiner Explosionsfähigkeit als chemischer Energiespeicher wenig geeignet. Einen Ausweg bietet die chemische Umwandlung von Wasserstoff mit dem Reaktionspartner CO₂ zu flüssigem Methanol.

Da die Bereitstellung der Primärenergie aus erneuerbaren Quellen Schwankungen unterliegt, soll die Hydrierung von CO₂ zu Methanol ebenso unter dynamischen Gesichtspunkten betrachtet werden. Dies stellt neue Herausforderungen an den Katalysator des Prozesses (z.B. Stabilität gegenüber dynamischen Betriebsbedingungen, Resistenz gegenüber dem Koppelprodukt Wasser). Ziel des Forschungsvorhabens ist demnach die Untersuchung neuartiger katalytischer Materialien hinsichtlich ihres Degradationsverhaltens und ihrer Stabilität unter den gegebenen Prozessbedingungen. Aufbauend auf die optimierten Eigenschaften des Katalysators kann dann ein neuartiger Prozess zur Methanolsynthese designed werden.