Das Forschungsprojekt „Vorbereitung zur industriellen SNG Erzeugung“ untersucht die wichtigsten Fragestellungen, bevor die Technologie in der Industrie etabliert werden kann.
Seit 2020 forscht das ttz Bremerhaven an der Methanisierung, der Erzeugung von synthetischem Methan aus Wasserstoff und CO2. Im Rahmen des Projektes „Wasserstoff – grünes Gas für Bremerhaven“ wurde eine Methanisierungsanlage im Labormaßstab errichtet und experimentelle Untersuchungen zur Optimierung der Prozessparameter und zur Erprobung von Katalysatorsystemen durchgeführt.
„Vorbereitung zur industriellen SNG Erzeugung“ ist ein neues Forschungs- und Entwicklungsprojekt des ttz Bremerhaven, das im April 2023 gestartet ist. Dieses Projekt knüpft inhaltlich an die vorausgegangenen Arbeiten zur Methanisierung an und behandelt sowohl die Anlagenskalierung, als auch techno-ökonomische Fragestellungen. Konkret wird in diesem Projekt ein zweistufiges, aktiv temperiertes Reaktorkonzept im größeren Labormaßstab entwickelt und Skalierungsvorschriften erarbeitet. Das Konzept wurde aus den vorausgegangen experimentellen Arbeiten im Labormaßstab und Modellen entwickelt. Mit Hilfe dieser Forschungsanlage soll einspeisefähiges, synthetisches Erdgas erzeugt werden. Ebenfalls werden im Rahmen des Projektes neuartige und sehr effiziente Katalysatorsysteme entwickelt.
Die Reaktoren werden als Rohrbündelreaktoren ausgeführt, sodass eine effiziente Temperierung der stark exothermen Reaktion möglich ist. Die abgeführte Wärme kann durch Wärmeintegration in anderen Prozessen genutzt werden und den Gesamtwirkungsgrad der Anlage steigern.
Blockschema der geplanten zwei-stufigen Methanisiserungsanlage (eigene Darstellung)
Eine der größten Herausforderungen der Erzeugung von SNG im CO2-Methanisiserungsprozess ist die Temperaturkontrolle der stark exothermen Reaktion. Diese wird mit der Maßstabsvergrößerung umso relevanter und technisch herausfordernder. Das ttz Bremerhaven betreibt dazu Forschung im Bereich der Reaktorentwicklung mit dem Ziel, Geometrien und Kennzahlen in Abhängigkeit zu der Produktionskapazität (Anlagengröße) zu erarbeiten (sog. Skalierungsvorschriften). Neben dem Reaktordesign tragen die eingesetzten Katalysatoren entscheidend zur Wärmekontrolle bei. Monolithische Katalysatoren haben nicht nur Vorteile im Druckverlust gegenüber herkömmlichen Festbetten, sondern bieten auch einen verbesserten Wärmetransport.
Die folgende Grafik, das Ergebnis aus einer CFD-Simulation, zeigt die starke Temperaturentwicklung und Hot-Spot-Bildung der Methanisierungsreaktion. Bei der Simulation handelt es sich zunächst um eine vereinfachte Berechnung mit konstanter Wandtemperatur und unter Vernachlässigung des Katalysatorwirkungsgrades.
Hot-Spot-Bildung der CO2-Methanisierung, Ergebnisse einer CFD-Simulation mit konstanter Wandtemperatur
Temperaturerhöhungen führen zu einem vorzeitigen Verschleiß des Katalysators durch thermische Zerstörung der Oberfläche. Weiterhin wird die Reaktion thermodynamisch beungünstigt. Möglichkeiten zur Optimierung des Problems wären unter anderem die Anpassung des Durchmessers zu Längenverhältnissen der Katalysatorzone, Variation der Gasströmungsgeschwindigkeit, Reduzierung der Katalysatormasse pro Fläche oder die Auswahl von Materialien mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil des Projektes ist es, ökonomische und ökologische Kennzahlen (SNG-Preis und CO2-Fußabdruck) abzubilden, die maßgeblich von der Effizienz des Systems, wie auch von der Anlagengröße, vorliegender Infrastruktur, Preis und Verfügbarkeit von Edukten und Produkten abhängen, um nur einige der wichtigsten Parameter zu nennen. Mit Hilfe des skalierungsfähigen Anlagendesigns und der wirtschaftlichen Bewertung können maßgeschneiderte Anlagenkonzepte für die Industrie zukünftig ermöglicht werden.
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Förderprogramms INNO-KOM marktorientierte Forschung und Entwicklung (MF) gefördert.
Das ttz Bremerhaven versteht sich als innovativer Forschungsdienstleister und betreibt anwendungsbezogene Forschung und Entwicklung. Unter dem Dach des ttz Bremerhaven arbeitet ein internationales Experten-Team in den Bereichen Lebensmittel und Ressourceneffizienz.
