Geben Sie uns doch bitte zun\u00e4chst einen kurzen \u00dcberblick: Welches Ziel verfolgt das Verbundprojekt Carbon2Chem\u00ae?<\/h3>\n\n\n\n
Stefan Schl\u00fcter:<\/strong> Kernziel des 2016 gestarteten Projekts ist, die Stahlproduktion bei thyssenkrupp gr\u00fcner zu gestalten. Dazu wird das bei der Stahlproduktion anfallende Kohlenmonoxid und Kohlendioxid einer chemischen Verwertung zugef\u00fchrt. Konkret geht es um die Produktpfade Methanol, h\u00f6here Alkohole, Ammoniak und Polymere. Carbon2Chem\u00ae soll einen gro\u00dfen Anteil des j\u00e4hrlichen deutschen Kohlendioxid-Aussto\u00dfes der Stahlbranche wirtschaftlich nutzbar machen. Der Ansatz ist eine Art Br\u00fccke auf dem Weg hin zu echtem gr\u00fcnen Stahl, f\u00fcr dessen Herstellung perspektivisch nachhaltiger Wasserstoff anstatt Kokskohle verwendet wird.<\/p>\n\n\n\n Tim Schulzke:<\/strong> Das ist richtig. Wir besch\u00e4ftigen uns am Institut schon relativ lange mit der Synthesegaschemie, konkret mit der Herstellung von Methanol und Dimethylether aus Synthesegasen. Das Fraunhofer UMSICHT verf\u00fcgt \u00fcber mehrere Versuchsanlagen in unterschiedlichen Gr\u00f6\u00dfen und mit verschiedenen Untersuchungsschwerpunkten, die wir im Rahmen von Carbon2Chem\u00ae einsetzen.<\/p>\n\n\n\n Tim Schulzke:<\/strong> An der kleinsten Versuchsanlage wird das Katalysatorverhalten getestet. Mit welchen Gaszusammensetzungen liefert ein Katalysator vern\u00fcnftige Produktmengen und Produktqualit\u00e4ten? Bei welchen Bedingungen gibt es mehr, bei welchen weniger Nebenprodukte? So erhalten wir detaillierte Informationen \u00fcber die Funktion der Gasreinigung im H\u00fcttenwerk. Die zweite Versuchsanlage ist etwas gr\u00f6\u00dfer dimensioniert und dient der Untersuchung des Reaktorverhaltens. Wir messen die Temperaturf\u00fchrung, den Druck und das Temperaturprofil im Reaktor. Schlie\u00dflich haben wir die Demonstrationsanlage im Containerformat. Hier betrachten wir das Anlagenverhalten, also das Zusammenspiel von Katalysator, Reaktor, Abtrennung des fl\u00fcssigen Produkts und Kreisgasf\u00fchrung. So erkennen wir z.B. negative Effekte durch das Anreichern von Spurengasen, die im Single-Pass-Betrieb der kleineren Versuchsanlagen nicht zu beobachten sind. Wir untersuchen diese Zusammenh\u00e4nge zun\u00e4chst mit Flaschengasen, sp\u00e4ter mit Realgasen aus dem H\u00fcttenbetrieb.<\/p>\n\n\n\n Tim Schulzke<\/strong>: Am Anfang tritt das sogenannte Make-up-Gas in die Anlage und wird durch den Reaktor gef\u00fchrt. Wird das Gas am Ende abgek\u00fchlt, kondensieren Methanol und Wasserdampf und k\u00f6nnen vom restlichen Gas abgetrennt werden. Das Ergebnis ist Methanol mit etwas Wasser. Das Make-up-Gas kann aus thermodynamischen Gr\u00fcnden in der Reaktion jedoch nur teilweise umgesetzt werden, sodass noch eine gewisse Menge an Wasserstoff mit ein wenig Kohlenmonoxid und Kohlendioxid \u00fcbrigbleibt. Diese werden als Recycle-Gas r\u00fcckgef\u00fchrt und dem Make-up-Gas beigemischt, und das dabei entstandene Feed-Gas geht wieder in den Reaktor. Die Mischungsverh\u00e4ltnisse sind so, dass stets etwas mehr Wasserstoff vorhanden ist als f\u00fcr die Reaktion ben\u00f6tigt wird. Das f\u00fchrt dazu, dass die Wasserstoffkonzentration im r\u00fcckgef\u00fchrten Gas sehr hoch ist \u2013 was wiederum zu einem hohen Umsatz des Kohlenstoffs f\u00fchrt. Der \u00fcbersch\u00fcssige Wasserstoff und inerte Bestandteile werden \u00fcber das sogenannte Purge-Gas an die Umgebung abgegeben, um einen Druckanstieg zu vermeiden. Verwendet man f\u00fcr die Reaktion ein Gasgemisch nur mit Wasserstoff und Kohlenstofftr\u00e4gern, ist der Purge-Gas-Volumenstrom relativ klein. Bei Hochofengas hingegen ist er deutlich gr\u00f6\u00dfer, da hier das Make-up-Gas bis zu 22 Prozent Stickstoff enth\u00e4lt, der wieder abgegeben werden muss.<\/p>\n\n\n\n Stefan Schl\u00fcter:<\/strong> Wir simulieren den gesamten Verbund. Hierzu z\u00e4hlen die H\u00fcttengasreinigungsstufen, die Kompressoren, die eigentliche Methanolanlage und weitere technische Anlagen wie z.B. Abscheider. Im Prinzip alles, was dazugeh\u00f6rt, um ein verkaufsf\u00e4higes Produkt zu erzeugen. Dabei arbeiten wir zweigleisig: Mit detaillierten Modellen f\u00fcr den Methanolprozess werden die bisherigen Praxisexperimente nachgerechnet. Vereinfachte Modelle, die auf einfacheren Annahmen basieren, werden dann mit diesen errechneten Daten parametriert. Die vereinfachten Modelle sind f\u00fcr die Gesamtsimulation notwendig, in der wir alle notwendigen Einheiten gleichzeitig \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum \u2013 z.B. ein Produktionsjahr \u2013 simulieren. Wir m\u00fcssen mit den Rechenzeiten in einem Bereich liegen, der f\u00fcr uns noch handhabbar ist. Unser Ziel ist, dass eine Simulation des gesamten Prozesses \u00fcber ein Jahr etwa einen Tag beansprucht.<\/p>\n\n\n\n Tim Schulzke:<\/strong> Dank der Simulationen k\u00f6nnen wir einen technisch m\u00f6glichen Rahmen definieren. W\u00e4hrend in der Praxis der Physik Grenzen gesetzt sind, sind wir in der Simulation verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig frei etwa hinsichtlich maximaler Dr\u00fccke, Temperaturen oder Durchflussmengen. Und wir k\u00f6nnen wesentlich mehr Punkte darstellen als in einer begrenzten Versuchszeit m\u00f6glich w\u00e4re.<\/p>\n\n\n\n Stefan Schl\u00fcter:<\/strong> Ein Hauptparameter sind die Gaszusammensetzungen, genauer welche Art von H\u00fcttengasen verwendet werden: Hochofengas oder Konvertergas? Aktuell verwenden wir haupts\u00e4chlich Hochofengas, da es am Standort voraussichtlich noch l\u00e4ngere Zeit zur Verf\u00fcgung stehen wird. Es stellt sich die Frage, wie die Reinigung funktioniert. Das k\u00f6nnen wir nicht ausreichend genau simulieren und sind daher auf die Ergebnisse der Laborversuche angewiesen. Zentral ist auch der Aufbau des eigentlichen Methanolprozesses. Hier gibt es eine Reihe von Stellgr\u00f6\u00dfen, die man auch in klassischen Methanolanlagen nutzt, um den Umsatz zu optimieren. Da die H\u00fcttengasstr\u00f6me und auch die Gaszusammensetzung nicht konstant sind, sind unsere Modelle so aufgebaut, dass sie mit schwankender Fahrweise umgehen k\u00f6nnen. Eine Arbeitsgruppe am Fraunhofer UMSICHT betrachtet den gesamten Prozess \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum mit dem Fokus auf \u00f6konomische Aspekte. Wann macht es z.B. Sinn, die Methanolanlage st\u00e4rker auszulasten, weil etwa gerade der Strom f\u00fcr die Herstellung von Wasserstoff g\u00fcnstig ist oder Methanol teurer verkauft werden kann?<\/p>\n\n\n\n Stefan Schl\u00fcter:<\/strong> Wir vergleichen unsere Simulationen zum einen mit anderen Rechnungen und mit Daten, die uns vom H\u00fcttenwerk und von den am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen bei thyssenkrupp zur Verf\u00fcgung gestellt werden. Zum anderen haben wir die M\u00f6glichkeit des Vergleichs mit den Technikumsversuchen.<\/p>\n\n\n\n Stefan Schl\u00fcter:<\/strong> In der n\u00e4chsten Phase testen wir die Methanolherstellung im Technikum auf dem H\u00fcttenwerk mit Realgasen. Zum Ende der Projektlaufzeit in 2024 soll dann jeweils ein Prozess f\u00fcr Methanol und einer f\u00fcr Ammoniak\/Harnstoff im Detail soweit ausgearbeitet sein, dass im Anschluss direkt technische Demonstrationsanlagen gebaut werden k\u00f6nnen. Nach aktuellem Stand sind wir guter Dinge, dass wir dieses Ziel erreichen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n Tim Schulzke:<\/strong> Alternative Kohlenstoffquellen sind Bestandteil eines Leuchtturmprojekts im Rahmen von Carbon2Chem\u00ae, und es gibt bereits zwei exponierte Partner. Das ist zum einen die GMVA Gemeinschafts-M\u00fcll-Verbrennungsanlage Niederrhein GmbH als Teil der REMONDIS Assets & Services GmbH & Co. KG, bei der das Rauchgas aus der M\u00fcllverbrennung gereinigt wird und man dadurch Kohlendioxid f\u00fcr die Methanolsynthese und die Herstellung weiterer Produkte erh\u00e4lt. Zum anderen gibt es den Kalkbrenner Lhoist Germany Rheinkalk GmbH. Hierzu ist zu sagen, dass Kohlendioxid in diesem Fall prozessimmanent ist, d.h. man kann es nicht vermeiden. Es entsteht zwangsl\u00e4ufig bei der Umwandlung von Kalkstein (Calciumcarbonat) durch W\u00e4rme in gebrannten Kalk (Calciumoxid). Das n\u00e4chste Ziel ist daher, das Kohlendioxid aus den Kalk\u00f6fen chemisch mit Elektrolysewasserstoff als Methanol zu binden und dieses z.B. als E-Fuel oder Chemierohstoff einzusetzen.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Tim Schulzke <\/strong>(Abteilung Low Carbon Technologies) Stefan Schl\u00fcter<\/strong> (Abteilung Low Carbon Technologies) Zurzeit l\u00e4uft die zweite Phase des Verbundprojekts Carbon2Chem\u00ae, in der u.a. die gro\u00dftechnische Umsetzung einer nachhaltigen Methanolproduktion auf Basis von H\u00fcttengasen validiert werden soll. Was sind die n\u00e4chsten Schritte? Welche Bedeutung hat das Thema Simulation f\u00fcr den realen Anlagenbetrieb? Tim Schulzke und Stefan Schl\u00fcter im Interview. 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Was unterscheidet die einzelnen Anlagen konkret?<\/h3>\n\n\n\n
Wie funktioniert die Kreisgasf\u00fchrung in der Demonstrationsanlage?<\/h3>\n\n\n\n
Das Fraunhofer UMSICHT besch\u00e4ftigt sich neben den Praxisversuchen auch mit dem Thema Simulation.<\/h3>\n\n\n\n
Welche Hauptparameter beeinflussen die Simulation?<\/h3>\n\n\n\n
Wie werden die Ergebnisse aus den Simulationen verifiziert?<\/h3>\n\n\n\n
Im ersten Halbjahr 2022 soll die Demonstrationsanlage vom Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen nach Duisburg ins H\u00fcttenwerk \u00fcberf\u00fchrt werden. Gibt es dar\u00fcber hinaus schon weitere Planungen?<\/h3>\n\n\n\n
K\u00f6nnen die zun\u00e4chst f\u00fcr ein H\u00fcttenwerk erarbeiteten Prozesse auch auf andere Industriezweige adaptiert werden?<\/h3>\n\n\n\n
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\u2026 passt die vorhandene Demonstrationsanlage an die \u00f6rtlichen Bedingungen am Standort im H\u00fcttenwerk an. Des Weiteren f\u00fchrt er Versuchskampagnen zur Gewinnung von Datengrundlagen und zum Austesten der Einsatzgrenzen durch.<\/p>\n\n\n\n
\u2026 ist f\u00fcr die Simulation des Gesamtverbundes mit Hilfe mathematischer Methoden und entsprechend entwickelter Programme zust\u00e4ndig.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"