Flexible Power-to-X-Prozesse am Beispiel von Methanol
Die Folgen anthropogener Klima- und Umweltbelastungen einzudämmen, ist für die Menschheit zu einer globalen Aufgabe geworden. Weltweit forschen Wissenschaftler an neuen Technologien, um Wege zum Verzicht auf fossile Rohstoffe sowie zur Schaffung geschlossener Stoffkreisläufe zu finden. Erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wind und Biomasse bieten auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft eine vielversprechende Perspektive, den steigenden Energiebedarf der Menschheit in Zukunft decken zu können. Im Vergleich zu konventionellen Energieträgern ist die Verfügbarkeit nachhaltiger Ressourcen mit naturbedingten Schwankungen behaftet. Ein intelligentes Zusammenspiel der Subsysteme sowie Technologien zur mittel- und langfristigen Speicherung der erzeugten Energie sind dadurch eine essentielle Voraussetzung zum Gelingen der Energiewende. Aufgrund ihrer vorteilhaften Langzeitstabilität, der einfacher Handhabung und Logistik sowie der hohen Energiedichte werden chemische Energieträger in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen.
Die Elektrolyse von Wasser erlaubt bereits heute die Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff. Die teure und technisch aufwändige Speicherung dieses Energieträgers ist jedoch für viele Anwendungen mit erheblichen Nachteilen verbunden. Power-to-X Prozesse zur Herstellung von Methan, Methanol oder höherwertigen Kohlenwasserstoffen aus Wasserstoff und Kohlendioxid können einen großen Beitrag zu Reduktion von CO2-Emissionen in der chemischen Industrie und in der Mobilität leisten, gleichzeitig die Stromnetze entlasten und als Langzeitspeicher dienen. Eine erhöhte Wertschöpfung lässt sich insbesondere mit der Basischemikalie Methanol generieren, da dieses sowohl energetisch wie auch stofflich genutzt werden kann und damit in großem Maßstab fossile Produkte ersetzen kann.
Aufgrund des diskontinuierlich anfallenden Wasserstoffes ist eine Dynamisierung aller Komponenten der Prozesskette notwendig, damit durch eine hohe Anlagenauslastung bei möglichst geringer Speichergröße eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann. Ausgehend vom aktuellen Stand der Wissenschaft ergibt sich insbesondere in der Charakterisierung flexibel betriebener Festbettreaktoren ein erhöhter Forschungsbedarf.
Im Rahmen dieser Dissertation soll am Beispiel der Methanolsynthese untersucht werden, wie sich der dynamische Betrieb eines PtX-Prozesses darstellen lässt. Der Fokus soll in der Untersuchung der reaktionskinetischen Vorgänge im Reaktor liegen, da bislang keine aussagekräftigen Studien vorliegen, aus denen belastbare Schlüsse über die technischen Grenzen der dynamischen Reaktionsführung abgeleitet werden können. Ein methodischer Kernaspekt des Promotionsvorhabens liegt hierbei in der Erstellung eines zeitdiskreten, dynamischen Reaktormodells. Im Rahmen der Arbeit soll überprüft werden, inwiefern sich dieses aus einem zuvor erstellten, stationären Reaktormodell ableiten lässt. Die Simulationsergebnisse sollen anhand von Experimenten an einer hierfür ausgelegten Laboranlage für den stationären und dynamischen Betrieb validiert werden. Zudem sollen die Experimente zeigen, inwiefern sich der flexible Betrieb im Teil- und Überlastbereich auf Prozessstabilität, Katalysatoraktivität und Produktqualität auswirkt.
Als Ergebnis der Dissertation soll es schließlich möglich sein, auf Basis einer technischen Simulation Wechselwirkungen zwischen den an der Methanolsynthese beteiligten Komponenten darzustellen. Erkenntnisse bezüglich der dynamischen Prozessführung sollen der Weiterentwicklung flexibler PtX-Prozesse dienen und aufzeigen, ob bzw. unter welchen Randbedingungen diese Technologie zukünftig umgesetzt werden kann. Die Analyse der Simulationsergebnisse soll zudem klären, wo die Grenzen der Dynamisierung chemischer PtX-Synthesen liegen und durch welche apparatetechnischen Maßnahmen diese erweitert werden können.