Projekt

Im Projekt soll eine innovative und klimafreundliche Prozesskette zur Synthese der Basischemikalie Methanol entwickelt werden. Dazu wird ein Biomasse-Umwandlungsprozess mit einer Dampfreformierung gekoppelt, welche auch die Einbindung von Nebenprodukt-Gasströmen aus der Industrie ermöglicht. Das im Projekt entwickelte Verfahren zur Methanol-Synthese ist folgendermaßen aufgebaut: In einer Druckfermentation wird Biomasse zu Biogas umgesetzt. Dabei steigt der Druck durch mikrobielle Aktivität, wodurch sich mehr CO2 in der Fermenterflüssigkeit löst und methanreiches Rohbiogas am Kopf des Reaktors abgezogen werden kann. Anschließend erfolgt die Methanreformierung in einem Wabenreaktor, wobei aus dem Biogas ein CO2-reiches Synthesegas hergestellt wird. Der Wabenreaktor, für den die theoretische Auslegung im Projekt erfolgte, kann eine höhere Wärmeeinleitung und bessere Katalysatoreffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Festbett-Reaktoren erreichen. Zuletzt erfolgt die Methanolsynthese in einem Blasensäulenreaktor mit einfachem apparativem Aufbau und effizienter Wärmeabfuhr. Für die Methanolsynthese wird entweder ausschließlich das CO2-haltige Biogas aus der Methanreformierung verwendet oder zusätzlich CO2 aus Rauchgasen der Industrie bzw. abgetrenntes CO2 aus Biogas bereitgestellt.

Vorgehen:

- Die Druckfermentation musste so ausgelegt werden, dass das entstehende Gasgemisch aus CH4 und CO2 für die nachfolgende Methanreformierung geeignet ist.

- Die Festlegung der Auslegungsdaten des Wabenreaktors erfolgte durch Anpassung von Literaturmodellen zur Methanreformierung an die Wabengeometrie.

- Die Methanolsynthese in Dreiphasenreaktoren wurde experimentell untersucht und daraus ein formalkinetischer Ansatz zur Beschreibung der Methanolsynthese abgeleitet. Zusätzlich wurde eine geeignete Messtechnik zur Erfassung der Blasengrößen in Blasensäulenreaktoren entwickelt, welche die notwendigen Daten zur Beschreibung der Hydrodynamik liefert.

- Zur Einbindung von CO2 aus Rauchgas oder Biogas in die Methanolsynthese muss das enthaltene CO2 aufkonzentriert werden. Dazu wurde ein Druckwechselabsorptionsverfahren mit ionischen Flüssigkeiten projektiert.

- Die entwickelte Prozesskette wurde für zwei Modellstandorte wirtschaftlich und ökologisch bewertet und mit etablierten Prozessen verglichen.

Ergebnisse:

- Bei der Druckfermentation konnte durch Trennung von Hydrolyse und Methanogenese ein Methangehalt von bis zu 90 Vol.-% bei hohem Ausgangsdruck und geringer Gesamtverweilzeit erreicht werden.

- Die Druckwechselabsorption benötigt, verglichen mit einer konventionellen Aminwäsche, nur ein Zehntel der thermischen Energie bei leicht höherem Bedarf an elektrischer Energie. Somit ist der Primärenergiebedarf etwa 50 % geringer. Um die Druckwechselabsorption für die Abtrennung von CO2 aus Abgasströmen einsetzen zu können, besteht weiterer Optimierungsbedarf.

- Laut der Ökobilanz für eine auf 6 MW Druckfermentation basierende Methanolsynthese kann mit dem Verfahren abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen eine negative CO2-Bilanz erreicht werden. Entscheidend für die Ökobilanz ist eine Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien, die Vermeidung von Methanschlupf bei der Druckfermentation und die Austauschrate des Katalysators bei der Methanreformierung und Methanolsynthese.