Industrie & Technik

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Die Fischer-Tropsch-Technik (Kasten) von Ineratec, einer Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), synthetisiert Kraftstoffe in kompakten Anlagen (Abbildung 1). Die Rohprodukte sind gesättigte aliphatische und hauptsächlich unverzweigte Kohlenwasserstoffe. Als Prozessedukte dienen Wasserstoff und eine Kohlenstoffquelle. Der Wasserstoff stammt dabei zum Beispiel aus der Elektrolyse von Wasser. Als Kohlenstoffquelle eignet sich idealerweise das Treibhausgas Kohlendioxid. Dieses lässt sich entweder aus Biomasse – etwa durch Vergären, aus industriellen Abgasen oder aus der Umgebungsluft gewinnen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/IOw0VeFQ76M5lJ4kr7cB"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Gründer der Ineratec, von links: Philipp Engelkamp, Tim Böltken, Paolo Piermartini. <named-content>Foto: Ineratec</named-content></figcaption></figure>
Die so erzeugten reinen und aromatenfreien Kohlenwasserstoffe haben den Vorteil, dass sie sich in eine bereits vorhandene Infrastruktur einbinden lassen und rohölbasierte Kraftstoffe wie Benzin, Diesel und Kerosin ersetzen. Diese synthetischen Kohlenwasserstoffe lassen sich zudem in der chemischen Industrie verwenden.Zurzeit erproben zwei Partnerprojekte die gesamte Technik mit dem Ineratec-Verfahren als Herzstück im Pilotmaßstab: Soletair und Energy Lab 2.0.1,2) Weitere Projekte sollen noch in diesem Jahr folgen.<h2>Die Fischer-Tropsch-Technik</h2>Die Fischer-Tropsch(FT)-Synthese ist eine heterogen katalysierte Reaktion zur Umsetzung von Synthesegas, einem Gemisch aus CO und H2, in hauptsächlich flüssige und feste Kohlenwasserstoffe. Es entstehen hochreine Alkane, Olefine und Oxygenate. Die Reaktionen ähneln einer Polymerisation:n CO + (2n+1) H2 → CnH2n+2 + n H2On CO + 2n H2 → CnH2n + n H2On CO + 2n H2 → CnH2n+1OH + (n-1) H2ODie Reaktionen sind stark exotherm und besitzen eine Reaktionsenthalpie von zirka –165 kJ·mol–1 pro umgesetztes CO. Eine effiziente Wärmeabfuhr im chemischen Reaktor ist daher zwingend notwendig, um Temperaturspitzen und damit ein geringeres Kettenwachstum zu vermeiden.Die konventionelle FT-Technik bietet eine gute Wärmeabfuhr durch Suspendieren des Katalysators in einer großen Menge an flüssigem Reaktionsprodukt. Dies bedeutet lange Anfahrzeiten (mehr als eine Woche) und enge Betriebsfenster, da die Flüssigphase bereits zu Beginn vorgelegt werden muss. Zudem müssen die feinen Katalysatorpartikel wieder von den Produkten getrennt werden. In einer dynamischen Anwendung lässt sich diese Technik daher nur schwer umsetzen. Helfen können kompakte Reaktoren, die auf Mikrostrukturtechnik basieren.<h2>Kraft- und Kunststoffe aus Wasser und Luft</h2>Das Soletair-Projekt soll zeigen, wie sich Kraft- und Kunststoffe mit erneuerbarer Energie aus Luft – genauer gesagt, aus dem darin enthaltenen CO2 – herstellen lassen.Die Kraftstoffsynthese stammt dabei von Ineratec. Sie ist in einen Anlagenverbund integriert, der mit Photovoltaik Energie liefert, mit Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und eine Kohlendioxidabscheidung aus der Luft enthält. Damit ist die komplette Wertschöpfungskette von Sonnenenergie, Wasser und Luft bis zum Produkt an einem Standort abgebildet. Im Juni wurde dieser Anlagenverbund in Finnland eingeweiht (Abbildung 2).3)<figure><img src="https://media.graphcms.com/xMKrBXyR5utfFDqeIXw9"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Containerisierte Anlage zur Umwandlung von H2 und CO2 in synthetische Kohlenwasserstoffe in Finnland. <named-content>Foto: Ineratec</named-content></figcaption></figure>
Zwischen Ineratec, dem KIT und dem technischen Forschungszentrum Finnlands (VTT), das die Kohlenstoffdioxidabscheidung beisteuerte, besteht eine langjährige Kooperation. Die Elektrolyse- und die Photovoltaikanlage entwickelten Wissenschaftler der Technischen Universität im südostfinnischen Lappeenranta.<h2>Energieansätze und -netze</h2>Einen ähnlichen, aber weiter reichenden Anspruch hat das Energy Lab 2.0: Das Projekt soll eine großskalige Forschungsinfrastruktur errichten. Beteiligt sind drei Helmholtz-Zentren: das KIT, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie das Forschungszentrum Jülich (FZJ). In der Infrastruktur soll erforscht werden, wie die Komponenten künftiger Energiesysteme zusammenarbeiten; zudem sollen neue Ansätze realitätsnah erprobt werden, welche die Energienetze stabilisieren.Ein Anlagenverbund verknüpft elektrische, thermische und chemische Energieströme mit neuen Informations- und Kommunikationstechniken. Ziel der Forschungsarbeit ist es, Transport, Verteilung, Speicherung und Nutzung des Stroms zu verbessern und damit die Grundlage für die Energiewende zu schaffen.Die Technik von Ineratec liefert dabei wieder den Baustein, um fluktuierend erzeugten Wasserstoff und Kohlendioxid – oder ein synthesegasähnliches Produkt aus der Biomassevergasung – umzuwandeln. Die derzeit im Detail-Engineering befindliche Anlage bildet die Brücke zwischen dem erneuerbaren Strom und dem Kraftstoff Kerosin; dies wird als Sektorkopplung bezeichnet. Am Tag erzeugt die Anlage dann zirka 300 Liter Rohprodukt. Aufgrund des weit fortgeschrittenen Projektstatus, geht Ineratec davon aus, dass es bis zur Marktreife weniger als ein Jahr dauern wird.<h2>Hohe Wärmeübertragung und kleine Reaktoren</h2>Die neuen Anlagen für synthetische Kraftstoffe vereinen zwei Grundsätze zur Prozessführung: Zum einen beruhen sie auf neuartigen Reaktoren mit spezifisch hohen Wärmeübertragungsleistungen; diese erlauben grundsätzlich hohe Umsätze pro Reaktordurchgang. Zum anderen sind dadurch die darauf aufbauenden Prozesse einfacher als bei der konventionellen Technik. Denn die kompakten Reaktoren besitzen kurze An- und Abfahrzeiten von wenigen Stunden und lassen sich zudem lastflexibel betreiben; das Katalysatorfestbett eignet sich für hochaktive industrielle Katalysatoren, und es ist nicht notwendig, das Produkt vom Katalysator zu trennen. Damit verbunden lässt sich in der prozessinternen Trenntechnik Energie sparen.Die hohen Wärmeübertragungsleistungen entstehen, da der Reaktionsraum besonders strukturiert ist und der Prozessdampf mit Mikrotechnik übertragen wird.Als Nebeneffekt der hohen Wärmeübertragungsleistungen ergeben sich spezifische, am Durchsatz gemessene, um den Faktor 80 kleinere Reaktoren als bei der konventionellen Fischer-Tropsch-Technik. Dies wiederum ermöglicht Anlagen mit einer Produktionskapazität von bis zu 1600 Litern pro Tag in nur einem transportablen und schlüsselfertigen Seecontainer. Dies entspricht je nach Gesamtprozesskette bis zu 1 MW elektrischer Leistung, um Wasserstoff elektrolytisch zu erzeugen.Um H2 und CO2 umzuwandeln, wird zunächst eine reverse Wassergaskonvertierung durchgeführt: Das Kohlendioxid wird mit einem Teil des Wasserstoffs zu Kohlenmonoxid reduziert. Das dabei gebildete Wasser wird kondensiert und entfernt. Die anschließende Fischer-Tropsch-Synthese ähnelt einer Polymerisationsreaktion. Aus H2 und CO in einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis von etwa zwei können Kohlenwasserstoffketten mit einer C-Zahl von bis zu 100 und mehr entstehen.<h2>Fast abgasfrei</h2>Da der Wasserstoff aus der Elektrolyse schadstofffrei ist und gereinigtes CO2 eingesetzt wird, sind die Produkte ebenfalls rein und verbrennen ruß- sowie schadstoffarm. Selbst die Verbrennungseigenschaften des Rohprodukts sind günstig, wie Tests am DLR zeigen.Je nach gewünschter Anwendung der Kohlenwasserstoffe lässt sich das Produktmaximum durch die Prozessbedingungen in Richtung flüssiger Kraftstoffe oder fester Paraffinwachse verschieben. Der Clou bei der Prozessführung ist das Recyceln des Restgases aus der Synthese zur Wassergaskonvertierung. Beide Stufen laufen auf einem Druckniveau von 15 bis 30 bar; und obwohl der thermodynamische Umsatz in der Wassergaskonvertierung ungefähr 50 % beträgt, ist der CO2-Nutzungsgrad mehr als 97 %. Es entsteht nahezu kein Abgas.Der Wirkungsgrad der Gesamtprozesskette vom Strom zum Kohlenwasserstoff hängt davon ab, welchen Wirkungsgrad die Elektrolyse hat und wie die Anlage in den Standort eingebunden ist. Er beträgt aber meist mehr als 50 %.Die entstehenden Kohlenwasserstoffe können gelagert, transportiert und in jeder Raffinerie destilliert werden. Zudem können sie konventionellem Kraftstoff zugemischt werden und sind drop-in-fähig, lassen sich also direkt in bestehenden Motoren einsetzen.<h2>Dezentral und wirtschaftlich</h2>Die kleinen Reaktoren und die Prozessvereinfachung machen die Anlagen auch für kleinere und dezentrale Anwendungen wirtschaftlich attraktiv. Dies hängt selbstverständlich vom Strompreis und der Stromquelle ab. Auf alle Fälle lassen sich die Anlagen instationär betreiben und sich dem Strompreis oder dem Energieanfall anpassen.Die Qualität der aus dem Rohprodukt erzeugten Kraftstoffe ist günstig, um Abgasgrenzwerte einzuhalten. Große Energiemengen in einem kleinen Volumen – verglichen mit einer Batterie – zu speichern, ist ein wichtiger Aspekt der Energiewende.Peter Pfeifer studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Erlangen und promovierte dort. Als Abteilungsleiter Chemische Energiespeicherung am Institut für Mikroverfahrenstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), forscht er an Mikrostrukturapparaten für Gas- und Mehrphasenkatalyse. Manuel Selinsek studierte Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik am KIT und promoviert dort in Chemieingenieurwesen. Als Projektleiter bei Ineratec entwickelt und optimiert er kompakte Anlagen für die Produktion synthetischer Kraftstoffe mit Strom. Tim Böltken ist nach dem Studium von Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik am KIT promovierter Chemieingenieur und Geschäftsführer bei Ineratec. <a href="mailto:tim.boeltken@ineratec.de">tim.boeltken@ineratec.de</a><figure><img src="https://media.graphcms.com/VWI5iW8HSylAY50NlGX2"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Die Ineratec-Fischer-Tropsch-Reaktoren vom Labor- (oben) bis zum Produktionsmaßstab (unten). <named-content>Foto: KIT</named-content></figcaption></figure>
<h2>Quergelesen</h2>Kohlenwasserstoffe lassen sich hochrein und energiegünstig in speziellen Reaktoren mit Mikrotechnik erzeugen.Rohstoffe dafür sind Wasserstoff aus einer Wasserelektrolyse, betrieben etwa mit einer Windkraftanlage, und Kohlendioxid aus der Umgebungsluft oder vergorener Biomasse.Mehrere Projekte sollen solche Ansätze, Anlagenverbünde und die notwendige Forschungsinfrastruktur dafür untersuchen.
<ul><h2>Literatur und Quellen</h2><li>
1 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.soletair.fi" target="_blank">www.soletair.fi</a></ext-link></li><li>
2 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.elab2.kit.edu" target="_blank">www.elab2.kit.edu</a></ext-link></li><li>
3 „The opening ceremony of the Soletair plant”, <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.youtube.com" target="_blank">www.youtube.com</a></ext-link></li><li>
4 T. Boeltken, P. Engelkamp, P. Piermartini, L.T. Brübach, C. Wild, P. Pfeifer. „Spatial resolved in-situ temperature profile measurement in the synthesis gas production from renewable gas mixtures by steam-assisted catalytic partial oxidation at high pressure“ Erdöl Erdgas Kohle 2017, 1.</li><li>
5 P. Piermartini, T. Boeltken, M. Selinsek, P. Pfeifer, Chem. Eng. J. 2017, 313, 328–335.</li></ul>

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