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Wasserstoffwirtschaft: Methanolsynthese aus Industrieabgasen erstmals erfolgreich im Langzeitbetrieb demonstriert

© Fraunhofer ISE© Fraunhofer ISEFreiburg - Methanol gilt als einer der zentralen Energieträger der künftigen Wasserstoffwirtschaft. Bei seiner konventionellen Herstellung aus Kohle und Erdgas fallen allerdings große Mengen an Treibhausgasemissionen an. In einem Projekt untersuchen Forscher einen Ansatz, um Methanol im Kreislauf aus Industrieabgasen zu gewinnen.

Als Basischemikalie spielt Methanol eine wichtige Rolle für die Industrie. Gleichzeitig hat Methanol eine hohe Bedeutung als Energieträger für die Wasserstoffwirtschaft. Im Rahmen des Projekts „Carbon2Chem®“ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Frauhofer ISE) zusammen mit Partnern aus Industrie, Forschung und Lehre Verfahren zur Herstellung von Methanol aus Abgasen der Industrie am Beispiel der Stahlindustrie.

Verfahren zur Umwandlung von industriellen Prozessgasen in Basischemikalien im Fokus
Das im Jahr 2016 gestartete Projekt „Carbon2Chem®“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, erforscht Verfahren zur Umwandlung von Prozessgasen aus der Stahlindustrie in Basischemikalien.

Erstmals konnte im Rahmen des Projektes nun in einer Miniplant des Fraunhofer ISE mit einer Produktionsleistung von täglich zehn Litern die Langzeitstabilität der Methanolsynthese aus realem, gereinigtem Hochofengas über einen Zeitraum von mehreren tausend Stunden demonstriert werden. Zuvor hatte Thyssenkrupp bereits 2018 den Machbarkeitsnachweis der Herstellung von Methanol aus Hochofengas im Projekt erbracht.

Die fossile Methanolsynthese und die Stahlherstellung mittels der Hochofenroute basierend auf Kohle sind für hohe CO2-Treibhausgasemissionen verantwortlich. Eine Verknüpfung der beiden Verfahren unter Verwendung von grünem Wasserstoff ermöglicht es, Methanol aus rein fossilen Quellen durch stoffliche Nutzung der Emissionen aus der Stahlherstellung mit grünem Wasserstoff als Reaktionspartner zu substituieren.

Gute Funktionsweise des Katalysator- und Anlagendesigns nachgewiesen
Das Fraunhofer ISE, das seit zehn Jahren auf dem Gebiet der Methanolsynthese arbeitet, setzte bei der Entwicklung der Miniplant auf ein einfaches und robustes Prozesskonzept. Es basiert auf zwei ungekühlten Reaktoren sowie einer industrienahen Rezyklierung der unreagierten Gase. Die Anlage ging 2017 am Fraunhofer ISE in Freiburg in den Probebetrieb mit Flaschengasen, ehe sie 2019 ins Carbon2Chem®-Technikum in Duisburg verlagert wurde. Die Hüttengase aus dem benachbarten integrierten Stahlwerk werden in einer Gasreinigung von Thyssenkrupp Industrial Solutions aufbereitet und für die nachfolgende Synthese von Katalysatorgiften befreit.

„Das Schichtpersonal der Thyssenkrupp Uhde Engineering Services hält die Gasreinigung rund um die Uhr am Laufen. Das Stahlwerk arbeitet im Dreischichtbetrieb, es gibt immer genug Gas. Wir haben ideale Voraussetzungen für den Dauerbetrieb im Technikumsmaßstab“, so Max Hadrich, Leiter der Gruppe Power-to-Liquids am Fraunhofer ISE. In insgesamt mehr als 5.000 Betriebsstunden vor Ort konnten über 1.500 Liter Rohmethanol hergestellt werden. Der Fokus lag hierbei auf der Verwendung des gereinigten Hochofengases, das mit über 85 Prozent den größten Anteil an den Hüttengasen stellt. In einem über 3.000 Stunden andauernden Langzeittest konnte kein nennenswerter Rückgang der Katalysatoraktivität festgestellt werden.

Prozessoptimierung mit „digitalem Zwilling“
Eine wichtige Voraussetzung für die Prozessoptimierung der Methanolsynthese aus CO2-reichem Synthesegas ist die Verbesserung des kinetischen Modells für den in „Carbon2Chem®“ eingesetzten Katalysator des Spezialchemieunternehmens Clariant. Denn Reaktionen mit Kreislaufführung wie die Methanolsynthese erfordern das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen der Prozessparameter. Das Fraunhofer ISE konnte, basierend auf dem verbesserten kinetischen Modell, einen digitalen Zwilling der Miniplant entwickeln. Dieser ermöglicht es, die Lernprozesse zu beschleunigen und gleichzeitig Scale-up-Risiken für zukünftige industrielle Anlagen zu minimieren.

Regelungskonzept für Dynamik des integrierten Stahlwerks
Die Hüttengase sind als wesentlicher Ausgangsstoff in ihrer Menge und Zusammensetzung nicht konstant. Diese Randbedingung ist für die Methanolsynthese eine neue Herausforderung. Je nach Betriebszustand oder vorhandenen Rohstoffen können die Eigenschaften der Gase aus der Kokerei (Koksherstellung), dem Hochofen (Umwandlung von Eisenerz zu Roheisen) oder dem Konverter (Umwandlung von Roheisen zu Stahl) erheblich schwanken. Mit den gesammelten Daten soll nun ein Regelungskonzept entworfen werden, um in Echtzeit auf Veränderungen zu reagieren und die Synthese stets in einem optimalen Betriebspunkt zu halten.


© IWR, 2022


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