Verbesserte Wasserstoff-Produktion aus Holz

Mit neuem Reaktorkonzept

Ein Reaktorkonzept zur Produktion von Wasserstoff aus Holzabfällen unter verringertem Energieeinsatz hat ein europäisches Konsortium unter Beteiligung des Grazer Kompetenzzentrum BEST, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der RWTH Aachen entwickelt, so ein Artikel auf science.apa.at. Bisher verbraucht die Erzeugung von Wasserstoff viel Energie. Überwiegend wird Wasserstoff aus fossilen Energieträgern erzeugt. Allerdings ist die Vergasung von Biomasse wie Holz, Klärschlamm oder anderen organischen Abfällen als alternative Wasserstoff-Produktion interessant geworden.

In einer mehrstufigen Wasser-Gas-Shift-Anlage können Kohlenmonoxid und Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt werden. Nachteilig ist hier jedoch, dass eine aufwendige Reinigung unter hohem Energieeinsatz notwendig ist.

“2 in 1”-Reaktor mit homogenem Katalysator

Das europäische Projektkonsortium ROMEO hat seit 2015 ein Reaktorkonzept entwickelt, in dem die Herstellung und Aufarbeitung durch den Einsatz von speziellen Membranen in einem Prozessschritt erledigt wurde (von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungsprogramms „Horizon 2020“ gefördertes Projekt ROMEO (Reactor Optimization by Membrane Enhanced Operation)), wodurch erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen erreicht wurden. Mit intensiven Forschungsanstrengungen revolutionierte Evonik das konventionelle Verfahren der Hydroformylierung durch den Einsatz katalytischer Membran-Reaktoren und setzte den ersten produktionstechnischen Einsatz dieser Reaktortechnologie in die Tat um.

Die Hydroformylierung ist eine homogen katalysierte Reaktion. Der Katalysator, der die Reaktion beschleunigt, liegt in flüssiger Phase vor. Durch ihn werden die Ausgangsstoffe Olefin, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff miteinander zu einem Aldehyd umgesetzt. Aldehyde sind die Produkte der Hydroformylierung und dienen als Zwischenprodukt zur Herstellung wertvoller Folgeprodukte, wie Wasch- und Reinigungsmitteln, Lösungsmitteln oder Weichmachern für Kunststoffe. Neben der Hauptreaktion finden während des Reaktionsschrittes in der Hydroformylierung unerwünschte Folgereaktionen des Aldehyds statt. Diese führen zum einen zum Verlust des Hauptprodukts und somit zu Minderung der Effizienz, zum anderen müssen die so entstehenden Nebenprodukte nach dem Reaktionsschritt durch energieintensive Aufreinigungsschritte abgetrennt werden. Im konventionellen Verfahren wird flüssige Reaktionsmasse, die den Katalysator enthält, von den gasförmigen Ausgangsstoffen durchströmt. Nach dem Reaktionsschritt erfolgt die Trennung von nicht umgesetzten Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten. Die Ausgangsstoffe werden wieder dem Reaktionsschritt zugeführt, die Reaktionsprodukte der Aufreinigung.

Im Reaktorkonzept des katalytischen Membran-Reaktors finden Reaktion und Aufreinigung in einem Apparat statt. Herz dieses Reaktorkonzeptes bilden poröse, monolithische Trägermaterialien. Die porösen Strukturen sind durch einen Film aus dem in einer Flüssigkeit gelösten Katalysator beschichtet. Der in einer flüssigen Phase gelöste Katalysator ist so für die den Monolithen durchströmenden Ausgangsstoffe zugänglich. Durch die porösen Strukturen wird der Katalysator in Lösung vom Austrag durch den Produktstrom gehindert und somit immobilisiert.

Von außen ist das poröse Trägermaterial mit einer Membran beschichtet. Diese besitzt eine selektive Durchgängigkeit für die Reaktionsprodukte. Hierdurch werden die wertvollen Aldehyde abgetrennt. Unerwünschte Nebenprodukte werden von der Membran zurückgehalten und verlassen den Reaktor über einen gesonderten Ausgangsstrom. Da der Trennschritt im gleichen Apparat und parallel zur Reaktion stattfindet, können Folgereaktionen verhindert werden. Membrantrennverfahren sind rein mechanisch basiert. Sie ermöglichen somit eine schonende Trennung und haben einen geringen Energiebedarf.

Durch die Integration der Trennfunktionen in den Reaktionsapparat können im Vergleich zum konventionellen Verfahren energieintensive, nachträgliche Aufreinigungsschritte umgangen werden. Hierdurch kommt es zu einer erheblichen Reduktion der Investitions- und Betriebskosten. Im Vergleich zum konventionellen Verfahren können Ressourcen- und Energieeffizienz um bis zu 70% gesteigert werden, während eine Reduktion der Treibhausgasemissionen von bis zu 45% ermöglicht wird. (nach corporate.evonik.com/ROMEO_MACBETH_in_a_nutshell.pdf)

Der “2 in 1”-Reaktor wurde mit einem speziellen homogenen Katalysator ausgestattet. Die dadurch ermöglichte Gas-Flüssig-Reaktion erlaube schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen (um die 120 statt bisher bis zu 500 Grad Celsius) eine hohe Umsatzrate. Durch eine spezielle Trennmembran wird das Kohlendioxid kontinuierlich abgetrennt. “Wir haben an der Pilotanlage konkret getestet, was passiert, wenn wir mit Synthesegas aus Biomasse und Holzabfällen arbeiten”, erklärte Loipersböck.

Durch die “Reaktor-Optimierung” zeigte sich bei der Testung in der Versuchsanlage eine “drastische” Senkung des Energiebedarfs und der Emissionen, wie in der Mitteilung des Kompetenzzentrums festgehalten wurde. Konkret seien der Energieverbrauch um bis zu 15 Prozent und die Emissionswerte um bis zu 40 Prozent verringert worden, obwohl die Wasserstoffproduktion deutlich höher als erwartet war. Für die industrielle Anwendung seien allerdings noch weitere Entwicklungen notwendig, betonte Loipersböck.

Die Forschungspartner deckten die gesamte Prozesskette für die Umsetzung des Konzepts an allen Schlüsselpositionen ab: Zum Konsortium gehören neben BEST – Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die RWTH Aachen, die Technical University of Denmark, der deutsche Spezialchemiekonzern Evonik (Projektkoordinator), LiqTech International A/S (Dänemark), das European Membrane House (Belgien), die Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (Spanien) und Linde AG. Die EU förderte das Projekt im Rahmen des Forschungsprogramms Horizon 2020 mit sechs Millionen Euro.

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