N. Reger-Wagner, S. Kämnitz, J. Richter, B. Jäger - IKTS Hermsdorf J. Grützner, D. Martin - MUW SCREENTEC GMBH Erfurt

Keramische Membranreaktoren zur Effizienzsteigerung in der chemischen

Verfahrenstechnik

Hintergrund: MUW Screentec

1960: Fertigung von Vorrichtungen, Werkzeugen und Sondermaschinen 1992: Gründung der GmbH; Spezialisierung in Neuentwicklungen, Muster

und Einzelfertigungen in der Metallbranche und Kunststoff-bearbeitung; Mechanische Bearbeitung von Bauteilen und Baugruppen

2008: Investition in alternative Energieerzeugung 2010: Entwicklung Elektrolysesysteme und Fertigungsverfahren,

Werkzeuge, Vorrichtungen und Sondermaschinen für die Herstellung von Wickeldrahtfiltern und Spaltsieben aus Edelstahl

2014: Erkenntnis: Verwendung Überschussstrom bietet bei Speicherung eine Verwertungsmöglichkeit von CO2, welches Emissionen senkt und Kohlenstoffkreisläufe ermöglicht -> in Zusammenarbeit mit Schwesterunternehmen Con-Slot sind wir erfahren bei der Auslegung, Entwicklung und Fertigung von Reaktoreinbauten.

2016: Power to X Anlagen

Zwischenfazit Die Familie der Power to X – Reaktionen bieten Möglichkeiten zur

Verwertung, Speicherung und Transport von überschüssigem Strom Durch die Verwertung von CO2 wird die Klimabilanz zusätzlich

verbessert Die Ausbeute des chemischen Reaktors beeinflusst maßgeblich die

Effizienz des gesamten Verfahrens -> Membranreaktor

http://img.welt.de/img/energie/crop134236407/6016931242-ci3x2l-w900/DWO-WI-Power-Liquids-Teaser.jpg, 2016

Ein Membranreaktor bietet erhebliche Einsparungen an Prozessenergie

Power to X – chemische Reaktionen Methansysnthese (Sabatier)

CO2 + 4 H2 2 H2O + CH4

Methanolsynthese CO2 + 3 H2 H2O + CH3OH

„Diesel“ (RWGS + Fischer-Tropsch) x CO2 + z H2 (0,5x)

H2O + CxHy

Weitere …

Bei diesen Reaktionen entsteht immer Wasser als Nebenprodukt

http://img.welt.de/img/energie/crop134236407/6016931242-ci3x2l-w900/DWO-WI-Power-Liquids-Teaser.jpg, 2016

Membranreaktor zur Effizienzsteigerung Der Membranreaktor soll

Wasser aus dem Reaktionsraum trennen

Durch Entfernen von Wasser aus

dem Reaktionsgemisch erhöht sich die Produktausbeute

Zusätzlich wird die Inhibitierung des Katalysators durch Wasser vermindert

Stofftrennung ohne bewegte Teile

catalyt icmembrane reactor

CO2

3H2

CH3OH

½H2O

½H2O

X

Zielstellung Membranen: Chemisch, thermisch und

mechanisch stabil bei Reaktionsbedingungen

Kohlenstoffmembranen Hohe Permeanz für Wasser,

geringe Permeanz für „X“, H2 und CO2

wenn möglich als außenbeschichtete Membran mit applizierter Katalysatorschicht

(Reaktionstechnik: Katalysatoren, Prozessparameter)

Kohlenstoffmembranen Herstellung Kohlenstoffmembranen auf Basis von Polyestern bieten

Gastrennende Eigenschaften Stabilität bei

Reaktionsbedingungen

Beschichtung

Polymerisation

Pyrolyse

Nach- behandlung

keramsicher Träger

Polymeric Precursor

800°C (N2, Ar)

50°C-150°C

Al2O3

Al2O3 C

Einzelgaspermeanzmessungen Messergebnisse bei 150°C

Feed

Permeat

Stark unterschiedliche Permeanzen nach Molekülgröße Gute Wasserabtrennung zu erwarten

Gemischtgasmessungen Messbedingungen Feed: 3.5 - 11 bar, 0.5 H2O 0.5 N2/H2/CH4/CO2 50 - 100Nl/h

Retentat: 3.5 - 11 bar

Permeat: 1 - 4 bar

150°C-280°C

Zwischenergebnisse Voruntersuchungen mit H2O/N2

Sehr gute H2O/N2-Selektivität bei 250°C und 11bar Eingangsdruck Bei reduziertem Eingangsdruck (4-8bar) öffnen sich die Poren, die

Selektivität nimmt ab Keine Temperaturabhängigkeit der H2O/N2-Selektivität von 200-280°C

H2O/[Gas]-Permeation 250°C, 11bar – verschiedene Gase

Permeanz von H2 und CO2 zu beobachten; kein Verblocken der Poren

H2O/[Gas]-Permeation 150°C, 11bar – verschiedene Gase

Verringerte Permeanz von H2 und CO2; Verblocken der Poren

Ergebnisse Membranreaktor Methansynthese (Sabatier) Ohne Membran ca.

90% CH4-Ausbeute Mit Membran

Anreicherung von CH4 Produktgasstrom auf etwa 95%

kein CO detektiert

100

150

200

250

300

350

400

450

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

Tem

pera

ture

/ °C

CO

2-co

nver

sion

, CH

4an

d C

O-y

ield

/ %

time / min

CH4 yield CO yield CO2 conversion T in T out

1 2 3 4 5 6 7 8

Ab Prozessschritt 4 Membran genutzt

Zusammenfassung und Ausblick Kohlenstoffmembranen mit Wasser-abtrennenden

Eigenschaften über einen Teil des Prozessfensters hergestellt Kombinierter Prozess Reaktion / Membran nachgewiesen

Kohlenstoffmembranen: Prozessfenster für selektive

Wasserabtrennung vergrößern Außenbeschichtete Membranen für bessere Reaktionsführung Katalysatorbeschichtung für „katalytischen Membranreaktor“ Katalysator- und Prozessentwicklung (weitere Reaktionen) Entwicklung Reaktordesign und Prozessführung

Backup

Jahreshöchstlast 86 86 86

200

sonstige EE Biomasse

Photovoltaik

Wind (offshore)

Wind (onshore)

Wasserkraft

Jahreshöchstlast

Hohe installierte Leistung von Technologien mit geringen Betriebsstunden. Quelle: Szenariorahmen für die Netzentwicklungspläne Strom 2015. Entwurf der Übertragungsnetzbetreiber. 30.04.2014

inst

allie

rte

Leist

ung

[GW

]

180 160 140 120 100

80 60 40 20

0 Szenario B 2025 Szenario B 2035 Referenz 2013 sonstige EE 0,4 0,8 1,2 Biomasse 6,4 7,2 8,2 Photovoltaik 35,1 55,7 60,7 Wind (offshore) 0,5 10,5 18,5 Wind (onshore) 33,2 60,2 82,2 Wasserkraft 4,6 4,7 4,9 Summe 80,2 GW 139,1 GW 175,7 GW

Rahmenbedingungen: Entwicklung Erneuerbaren Energien für die Stromversorgung

Rahmenbedingungen: Power to Gas (und Power to Liquid) einzige nationale Langzeitspeicher

Rahmenbedingungen: Leistungsstarke Gasinfrastruktur Fernleitungsnetze mit einer Länge

von 40.000 km, gesamtdeutsches Gasnetz sogar 530.000 km Länge

Weitaus geringere Transportverluste und große Übertragungsleistung im Gasnetz:

Stromnetz 3,5 GW(el) (zwei 380kV Drehstromsysteme)

DN 1000 Gas-Pipeline 70 GW(th)

Große Speicherkapazitäten sind vorhanden:

ca. 220 TWh(th) in Gasspeichern

ca. 0,05 TWh(el) im Stromnetz

H2O/N2-Permeation 200°C, 11bar - Zeitreihe

Sehr gute H2O-Selektivität

H2O/N2-Permeation 200°C – Eingangsdruck variiert

Bei reduziertem Eingangsdruck öffnen sich die Poren

H2O/N2-Permeation 11bar – Temperatur variiert

Keine Temperaturabhängigkeit von Permeanz und Selektivität