{"id":135842,"date":"2023-12-08T07:35:00","date_gmt":"2023-12-08T06:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=135842"},"modified":"2023-12-04T13:59:24","modified_gmt":"2023-12-04T12:59:24","slug":"vom-treibhausgas-zum-grunen-brennstoff","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/vom-treibhausgas-zum-grunen-brennstoff\/","title":{"rendered":"Vom Treibhausgas zum gr\u00fcnen Brennstoff\u00a0"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Zur Energiewende geh\u00f6rt es, die zeitweise auftretenden \u00dcbersch\u00fcsse an Strom aus erneuerbaren Quellen sinnvoll zu verwenden. Eine M\u00f6glichkeit ist dabei die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff. Dieser gr\u00fcne Wasserstoff kann dann entweder selbst als Energietr\u00e4ger dienen oder f\u00fcr weitere Synthesen genutzt werden. Denkbar ist etwa die Reaktion mit Kohlendioxid zu Methan, was zugleich helfen w\u00fcrde, CO2<\/sub>-Emissionen zu reduzieren. Das Methan wiederum lie\u00dfe sich dann als Erdgasersatz verwenden. Doch auf diesem Weg gibt es einige technische Herausforderungen. So wird bei der Reaktion viel W\u00e4rme frei, die Probleme bereiten kann. Eine Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Dynamik komplexer technischer Systeme stellt nun ein neuartiges Katalysatorkonzept vor, das eine zu starke Erhitzung eines Reaktors verhindert.<\/strong><\/p>\n\n\n

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\"Blick
Schwankendes Stromangebot: Offshore-Windparks liefern manchmal mehr Strom als ben\u00f6tigt wird. Mit den \u00dcbersch\u00fcssen l\u00e4sst sich Wasserstoff erzeugen, der f\u00fcr die Umwandlung von Kohlendioxid in Methan genutzt werden kann.\u00a0\u00a9 AdobeStock<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Der weitere Ausbau erneuerbarer Energien wird zunehmend f\u00fcr Phasen sorgen, in denen mehr Strom erzeugt als akut nachgefragt wird. Da ist es wichtig, diese \u00dcbersch\u00fcsse speichern zu k\u00f6nnen. Daf\u00fcr eignen sich zum Beispiel Batterieanlagen. M\u00f6glich ist aber auch, den Energie-\u00dcberschuss f\u00fcr die Synthese chemischer Substanzen zu verwenden, die dann selbst als Energietr\u00e4ger oder auch als Rohstoff dienen. Ein Konzept, das auch als Power-to-X-Konzept bekannt ist. M\u00f6gliche Substanzen sind etwa Wasserstoff, Methanol und Ammoniak.<\/p>\n\n\n\n

Auch Methan w\u00e4re ein sinnvoller Speicher f\u00fcr gr\u00fcne Energie. Es k\u00f6nnte zum Beispiel fossiles Erdgas ersetzen, dessen Hauptbestandteil es schlie\u00dflich ist. Methan l\u00e4sst sich \u00fcber die sogenannte Methanisierung von Kohlendioxid (CO2<\/sub>) gewinnen, bei der Wasserstoff und CO2<\/sub> miteinander reagieren. Den Wasserstoff daf\u00fcr w\u00fcrde man gewinnen, indem besagte Strom\u00fcbersch\u00fcsse f\u00fcr die Elektrolyse von Wasser genutzt werden. Das Kohlendioxid wiederum k\u00f6nnte aus industriellen Abgasen, zum Beispiel von Zement-, Stahl- oder Kraftwerken sowie aus Biogasanlagen stammen. Das w\u00fcrde zugleich CO2<\/sub>-Emissionen verhindern und den Kohlenstoff im industriellen Stoffkreislauf halten.<\/p>\n\n\n\n

Katalysator mit aktivem Kern und inaktiver Schale<\/h3>\n\n\n\n

Gro\u00dftechnische Anlagen f\u00fcr die Methanisierung, die erneuerbare Energie speichern, gibt es bislang allerdings nicht. Das liegt auch an prozesstechnischen Herausforderungen. So setzt die Reaktion von CO2<\/sub> und Wasserstoff viel W\u00e4rme frei, was die Temperatur in den Reaktoren stark steigen l\u00e4sst. Sie darf aber nicht \u00fcber 550 Grad Celsius klettern, weil sonst das als Katalysator verwendete Nickel inaktiviert w\u00fcrde, womit die Reaktion zum Erliegen k\u00e4me.<\/p>\n\n\n\n

Es sind also Konzepte gefragt, bei denen die Erw\u00e4rmung Reaktor begrenzt wird. Zwar gibt es eine ganze Reihe technischer Ans\u00e4tze, doch viele davon sind aufgrund eines hohen Aufwands unwirtschaftlich. \u00dcber den Pilotanlagen-Ma\u00dfstab hinaus hat es bisher kein Verfahren geschafft. Forscher des Max-Planck-Instituts f\u00fcr die Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg haben nun ein Konzept entwickelt, das \u00f6konomisch interessante Methan-Ausbeuten liefert und den Temperaturanstieg trotzdem im Rahmen h\u00e4lt. Dabei hat das Team um Kai Sundmacher, Direktor der Abteilung Prozesstechnik am Magdeburger Max-Planck-Institut f\u00fcr Dynamik komplexer technischer Systeme die Idee sogenannter Kern-Schale-Katalysatorpellets weiterentwickelt. \u201eMit diesem Aufbau aus einem katalytisch aktiven Kern und einer inaktiven Schale ist es m\u00f6glich, die Reaktortemperatur zu begrenzen und so die Grundlage f\u00fcr eine gro\u00dftechnische Methanisierung von Kohlendioxid zu schaffen\u201c, erkl\u00e4rt Kai Sundmacher.<\/p>\n\n\n

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\"schematische
Schutz vor \u00dcberhitzung: Katalysatorpellets aus einem aktiven Kern (grau) und einer inaktiven Schale (gelb) drosseln die\u2026 [mehr]<\/a>\u00a9 Wiley-VCH Verlag 2020<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Der Clou an dem Kern-Schale-Ansatz ist die chemisch inerte por\u00f6se Schale. Molek\u00fcle, die miteinander reagieren sollen, m\u00fcssen zun\u00e4chst diese H\u00fclle durchdringen, um an die Nickel-Oberfl\u00e4che zu gelangen, mit der der Kern beschichtet ist. Erst dort bildet sich das Methan. \u201eDiese Diffusion der Reaktionspartner durch die Schale ist gerade das, was die Umsetzungsrate und damit auch einen m\u00f6glicherweise zu starken Temperaturanstieg bremst\u201c, erkl\u00e4rt Ronny Tobias Zimmermann, Chemieingenieur im Team von Sundmacher. Mehr noch: Man habe sogar in der Hand, durch die Schalen-Eigenschaften wie etwa den Durchmesser oder die Porosit\u00e4t festzulegen, wie hei\u00df der Reaktor maximal werden kann. \u201eJe dicker die Schale, desto geringer die maximal m\u00f6gliche Temperatur\u201c, erkl\u00e4rt Zimmermann den Zusammenhang. Einfach weil dann der l\u00e4ngere Weg der einzelnen Molek\u00fcle zum Katalysator die Reaktion st\u00e4rker bremst.<\/p>\n\n\n\n

Ein Konzept f\u00fcr ein schwankendes Wasserstoffangebot<\/h3>\n\n\n\n

Die optimalen Eigenschaften und Ma\u00dfe des Kern-Schale-Katalysators und auch des Reaktors ermittelte das Magdeburger Team \u00fcber Computersimulationen und anschlie\u00dfende Experimente. Es kristallisierte sich ein Ansatz heraus, bei dem man ein B\u00fcndel aus drei Meter langen, wenige Zentimeter dicken R\u00f6hren als Reaktor verwendet, die dann jeweils mit den Kern-Schale-Katalysatorpellets gef\u00fcllt werden. Diese sind etwa drei Millimeter gro\u00df, wobei die Schale gerade einmal 0,1 Millimeter d\u00fcnn ist, was etwa der doppelten Dicke eines menschlichen Haares entspricht. F\u00fcr die Methanisierung leitet man ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid durch die auf etwa 300 Grad Celsius temperierten R\u00f6hren. Das entstehende Methangas wird am anderen Ende der R\u00f6hren aufgefangen, gereinigt und kann dann zum Beispiel in Tanks oder ins bestehende Erdgasnetz eingespeist werden.<\/p>\n\n\n\n

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\u201eAlles ist so konzipiert, dass der Reaktor nie hei\u00dfer als etwa 480 Grad Celsius wird, egal wie viel Ausgangsmaterial wir zuf\u00fchren\u201c, erkl\u00e4rt Zimmermann<\/strong>. <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Zu einer Inaktivierung des Nickels kann es also nicht kommen. Diese Flexibilit\u00e4t und Robustheit ist gerade im Hinblick auf den Einsatz erneuerbarer Energien wichtig, die mal mehr, mal weniger \u00dcberschussstrom liefern. Dem wechselnden Stromangebot entsprechend schwankt auch die Menge an Wasserstoff, die erzeugt wird und mit Kohlendioxid reagieren kann. F\u00fcr die Prozesstechnik sind solche Schwankungen in der Menge der Reaktionspartner generell eine gro\u00dfe Herausforderung. L\u00f6sungen, die mit den Schwankungen gut zurechtkommen, hei\u00dfen auch lastflexibel.<\/p>\n\n\n\n

Vielf\u00e4ltige Anwendungen f\u00fcr Kern-Schale-Katalysatoren<\/h3>\n\n\n\n
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\u201eMan kann das Problem nat\u00fcrlich umgehen, indem man den Wasserstoff zwischenspeichert und dann konstant abruft\u201c, sagt Kai Sundmacher.<\/strong> \u201eAllerdings sind solche Speicher sehr kostenintensiv.\u201c <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Daher sei eine lastflexible L\u00f6sung wie die jetzt entwickelte von gro\u00dfem Interesse. M\u00f6gliche Einsatzorte ihres Reaktors f\u00fcr die Methangewinnung sieht das Magdeburger Team prinzipiell \u00fcberall dort, wo \u00dcbersch\u00fcsse an erneuerbarem Strom f\u00fcr den n\u00f6tigen Wasserstoff sorgen k\u00f6nnen. Bei Windparks ebenso wie bei gr\u00f6\u00dferen Fotovoltaikanlagen.<\/p>\n\n\n\n

Die Max-Planck-Forscher merken an, dass ihr Ansatz nicht nur f\u00fcr die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlendioxid in Frage kommt. Generell sei das Konzept der ma\u00dfgeschneiderten Kern-Schale-Katalysatoren vielmehr auf alle Gasreaktionen mit starker W\u00e4rmeentwicklung \u00fcbertragbar. So auch f\u00fcr die Umsetzung von Wasserstoff mit Stickstoff zu Ammoniak. Aktuell ist das Magdeburger Institut auch an einem Strang des H2<\/sub>Mare-Projekts beteiligt. Darin geht es generell um die direkte Nutzung des \u00dcberschussstroms von Offshore-Windanlagen zur Wasserstofferzeugung. Bei der m\u00f6glichen Weiterverwendung des gewonnenen Wasserstoffs werden auch die Reaktoren mit Kern-Schale-Katalysatoren zur Bildung von Methan oder Ammoniak untersucht.<\/p>\n\n\n\n

Kai Sundmacher und sein Team sehen jedenfalls noch ein riesiges Potenzial f\u00fcr die Speicherung erneuerbaren Stroms in Chemikalien und Energietr\u00e4gern. Limitierend sei derzeit vor allem die Menge an erneuerbarer Energie. Etwas, das sich aber in Zukunft \u00e4ndern d\u00fcrfte.<\/p>\n\n\n\n

Originalver\u00f6ffentlichungen<\/h3>\n\n\n\n

Ronny Tobias Zimmermann, Sebastian Weber, Jens Bremer, Vesselin Idakiev, Reihaneh Pashminehazar , Thomas Lennon Sheppard, Lothar M\u00f6rl, Kai Sundmacher; “Core\u2013shell catalyst pellets for effective reaction heat management<\/a>“; Chemical Engineering Journal, 1. Februar 2023<\/em>; https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.cej.2022.140921<\/a><\/p>\n\n\n\n

Ronny Tobias Zimmermann, Jens Bremer und Kai Sundmacher; “Load-flexible fixed-bed reactors by multi-period design optimization<\/a>“; Chemical Engineering Journal, 15. Januar 2022<\/em>; https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.cej.2021.130771<\/a><\/p>\n\n\n\n

Kontakte<\/h3>\n\n\n
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\"Prof.<\/figure><\/div>\n\n\n

Prof. Dr.-Ing. Kai Sundmacher<\/strong>
Tel.: +49 391 6110-350\u00a0+49 391 6110-353\u00a0
E-Mail: sundmacher@mpi-magdeburg.mpg.de<\/a><\/p>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n\n

Dr. Ronny Tobias Zimmermann<\/strong>
Tel.: +49 391 6110-360\u00a0
E-Mail: zimmermannr@mpi-magdeburg.mpg.de<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Zur Energiewende geh\u00f6rt es, die zeitweise auftretenden \u00dcbersch\u00fcsse an Strom aus erneuerbaren Quellen sinnvoll zu verwenden. Eine M\u00f6glichkeit ist dabei die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff. Dieser gr\u00fcne Wasserstoff kann dann entweder selbst als Energietr\u00e4ger dienen oder f\u00fcr weitere Synthesen genutzt werden. Denkbar ist etwa die Reaktion mit Kohlendioxid zu Methan, was zugleich helfen w\u00fcrde, CO2-Emissionen […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"none","nova_meta_subtitle":"Ein neues Katalysatorkonzept schafft die Grundlage f\u00fcr eine gro\u00dftechnische Methanisierung von Kohlendioxid","footnotes":""},"categories":[5572,5571],"tags":[13060,14083,15124,13385,14122,10743,13255],"supplier":[929],"class_list":["post-135842","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","category-co2-based","tag-brennstoff","tag-elektrolyse","tag-katalysator","tag-methan","tag-photovoltaik","tag-useco2","tag-wasserstoff","supplier-max-planck-institut-fuer-dynamik-komplexer-technischer-systeme"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/135842","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=135842"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/135842\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=135842"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=135842"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=135842"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=135842"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}