Ausgabe zur SENSOR+TEST 2018

12 INNOVATIONEN HALLE 5, STAND 305 • WWW.LUMASENSEINC.COM TEXT & BILD: FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME IKTS WINTERBERGSTR. 28 01277 DRESDEN GERMANY G eschlossene Kohlen- stoffkreisläufe müssen in Zukunft einen wich- tigen Beitrag leisten, Kohlendioxid-Emissionen dras- tisch zu reduzieren und einen sicheren und kostengünstigen Zugang zu Kohlenstoffquellen als Basis für Produkte der che- mischen Industrie zu gewähr- leisten. Um die Effizienz und damit Wirt- schaftlichkeit der dafür erforderli- chen Syntheseprozesse zu stei- gern, hat das Fraunhofer IKTS in Zusammenarbeit mit dem Thürin- ger Unternehmen MUW-SCREENTEC GmbH einen neuartigen Membran- reaktor entwickelt. Ein geschlossener Kohlenstoff- kreislauf basiert auf der steten Umsetzung von Kohlendioxid mit Energie – idealerweise aus rege- nerativen Quellen. So lässt sich aus regenerativ erzeugtem Strom beispielswiese Wasserstoff herstel- len, welcher unter Nutzung von Kohlendioxid zu speicherbaren Stoffen wie Methanol umgewan- delt werden kann. Der nach dem Prinzip »Power-to-Liquid« herge- stellte flüssige und somit trans- portable Speicherstoff Methanol besitzt eine hohe Energiedichte und erlaubt eine unbegrenzte La- gerung ohne Verluste. Außerdem ist dieser wertvolle Energieträger auch eine wichtige Basischemika- lie für weiterführende Synthesen, beispielsweise für Kunststoffe. Derzeit ist bei der Synthese von Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid die notwendige Abtrennung des Wassers noch ein separater Schritt. Die dabei zum Einsatz kommenden thermischen Verfahren sind energieaufwändig und reduzieren den Wirkungsgrad. Mit einem so genannten Membran- reaktor ist es nun erstmals gelun- gen, die chemische Reaktion mit der Stofftrennung in einem Appa- rat zu koppeln. Das Konzept wurde vom Fraunhofer-Institut für Kera- mische Technologien und Syste- me IKTS und der MUW-SCREENTEC GmbH unter Förderung der Thürin- ger Aufbaubank entwickelt und in Hardware demonstriert. Durch die membranunterstützte Abtrennung des Wassers aus dem Reaktions- raum wird die Lage des chemi- schen Gleichgewichts während der Synthese gezielt zugunsten des Methanols verschoben. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen Simula- tionsrechnungen eine deutliche Steigerung der Methanolausbeute auf 60 % in Membranreaktoren statt bisher 20 % in konventio- nellen Reaktoren erwarten, wenn man auf industrielle Anlagen hochskaliert. Der experimentelle Nachweis der genauen Steigerung der Ausbeute wird derzeit von den Projektpartnern erbracht. Die für die Reaktoren notwendigen Memb- ranen wurden ebenfalls am Fraun- hofer IKTS entwickelt. Sie müssen neben den wasserabtrennenden Eigenschaften auch unter den an- spruchsvollen Prozessbedingungen mechanisch, chemisch und ther- misch stabil sein. Für die Metha- nolsynthese erwiesen sich bislang wasserselektive Kohlenstoffmemb- ranen als besonders effektiv. Die umgekehrte Reaktion der Methanolsynthese – das Metha- nol-Reforming – lässt sich eben- falls äußerst effizient im neu- en Membranreaktor realisieren. Hierbei dient das Methanol als gut handhabbarer flüssiger Was- serstoffspeicher. Das entstehen- de Kohlendioxid wird im Memb- ranreaktor abgetrennt und steht somit wieder als Ausgangsstoff für einen geschlossenen Koh- lenstoffkreislauf zur Verfügung. Nutzbar sind solche geschlosse- nen Konzepte beispielsweise zur Versorgung von Schiffen mit dem Treibstoff Wasserstoff, welcher aus gut transportablem Methanol und Wasser gewonnen wird. Mit den neu entwickelten Mem- branreaktoren kann unter mo- difizierten Prozessbedingungen und mit anderen Katalysatoren aus Kohlendioxid und Wasser- stoff auch synthetisches Methan hergestellt werden, welches sich im Erdgasnetz unbegrenzt spei- chern lässt. Darüber hinaus kön- nen alternative Treibstoffe wie Dimethylether oder die wichti- ge Basischemikalie Formalde- hyd synthetisiert und damit die »Power-to-Chemicals-Strategie« umgesetzt werden. Um eine weitere Effizienzstei- gerung der Syntheseprozesse zu erzielen, fokussieren zukünftige Forschungsarbeiten nun auf ei- ner gezielten Verbesserung der Katalysatoreigenschaften. Daher werden am Fraunhofer IKTS Ka- talysatoren entwickelt, die sich künftig direkt – und nicht wie bislang als Schüttung – auf die Membran applizieren lassen. »Das Fraunhofer IKTS verfügt sowohl über die gesamte Prozesskette zur Herstellung stabiler und se- lektiver Membranen als auch über umfangreiche Kompetenzen zur Katalysator- und Prozessentwick- lung – ein weltweit einmaliger Wettbewerbsvorteil«, sagt Dr. Norman Reger-Wagner, Gruppen- leiter am Thüringer Standort. Perspektivisch sind durch die kontinuierliche Verbesserung der Membranen und des Verfahrens – beispielsweise durch eine se- lektive, membrangestützte Ein- dosierung von Wasserstoff in den Reaktionsraum – weitere deutli- che Effizienzsteigerungen zu er- warten. New membrane reactors supply “green“ raw materials for chemical industry I n the future, closed carbon loops play an important role to drastically reduce carbon dioxide emissions and ensure safe and cost-effec- tive access to carbon sources as the basis for products of the chemical industry. In order to increase the efficien- cy and thus profitability of the syn- thesis processes required for this, Fraunhofer IKTS has developed a new membrane reactor in coopera- tion with the Thuringian company MUW-SCREENTEC GmbH. A closed carbon loop is based on the constant conversion of carbon dioxide by energy – ideally from re- newable sources. For example, this power can be used to exploit hy- drogen, which, using carbon diox- ide, can be converted into storable substances such as methanol. The liquid and thus transportable stor- age material methanol, produced according to the “power-to-liquid“ principle, has a high energy density and allows unlimited storage with- out losses. This valuable energy source is also an important basic chemical for further syntheses, e.g. for plastics. At present, the necessary remov- al of water from hydrogen and car- bon dioxide is still a separate step in the synthesis of methanol. The thermal processes used are energy- intensive and reduce efficiency. With a so-called membrane reac- tor, it has now been possible for the first time to couple the chemi- cal reaction with the separation of substances in one apparatus. The concept was developed and demonstrated in hardware by the Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS and MUW-SCREENTEC GmbH with the support of Thüringer Aufbaubank. The membrane-based separation of the water from the reaction space shifts the position of the chemi- cal equilibrium during synthesis in favor of methanol. Based on these results, simulations suggest a sig- nificant increase in methanol yield to 60 % in membrane reactors in- stead of 20 % in conventional re- actors when upscaling to industrial plants. The experimental proof of the exact increase of the yield is currently provided by the project partners. The membranes required for the reactors were also developed at Fraunhofer IKTS. In addition to their water-separating properties, they must also be mechanically, chemically and thermally stable under the demanding process con- ditions. So far, carbon membranes have proven to be particularly ef- fective for methanol synthesis. The reverse reaction of methanol synthesis – methanol reforming – can also be implemented efficiently in the new membrane reactor. The methanol serves as easy-to-handle liquid hydrogen storage system. The resulting carbon dioxide is separated in the membrane reac- tor and is thus available again as a starting material for a closed carbon loop. Such closed concepts can be used, for example, to supply ships with hydrogen fuel, which is exploited from easily transportable methanol and water. With the newly developed mem- brane reactors, synthetic methane can be produced under modi- fied process conditions and with other catalysts from carbon diox- ide and hydrogen, which can be stored unlimitedly in the natural gas network. In addition, alterna- tive fuels such as dimethyl ether or the important basic chemical formaldehyde can be synthesized, thus implementing the “power-to- chemicals strategy“. In order to achieve further effi- ciency increase of the synthesis pro- cesses, following research work will focus on a targeted improvement of the catalyst properties. Fraunhofer IKTS is therefore developing cata- lysts that can be applied directly to the membrane rather than in bulk as in the past. “Fraunhofer IKTS has both the entire process chain for the production of stable and selective membranes and extensive expertise in catalyst and process development – a unique competi- tive advantage worldwide," says Dr. Norman Reger-Wagner, group man- ager at the Thuringian site. The continuous improvement of the membranes and the pro- cess – for example by selective, membrane-based dosing of hydro- gen into the reaction space – is ex- pected to lead to further significant efficiency increases. Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Neue Membranreaktoren liefern »grüne« Grundstoffe für die chemische Industrie Neuartiger Membranreaktor zur effektiven Herstellung von chemischen Grundstoffen mit deutlich gesteigerten Ausbeuten New membrane reactor for the effective production of basic chemicals with significantly increased yields