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Projekt 2.4

Energy efficient carbon capture and utilisation process

Einleitung

Im Rahmen dieses Projekts wird ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf mithilfe von „Carbon Capture and Utilization“ Technologien im industriellen Umfeld (Feuerfest- und Stahlindustrie sowie chemische Industrie) demonstriert. Das Projekt wird dazu beitragen, die CO2-Emissionen durch die Entwicklung und Anwendung innovativer katalytischer (Methanisierung) und bioelektrochemischer (Kohlenwasserstoffe) CO2-Umwandlungstechnologien zu verringern. In einem integrierten Stahlwerk, in der Feuerfestindustrie und der chemischen Industrie kann Methan (CH4) nicht nur als Energieträger, sondern auch als Reduktionsmittel dienen. So wird das Potenzial zur CO2-Reduktion erhöht, da weniger fossile Energieträger wie Kohle und Erdgas benötigt werden.

Eine Aminwäscheranlage wird zur Abtrennung und Reinigung von CO2 bis zu 800 kg/Tag eingesetzt, um die nachgeschaltete katalytische Methanisierungsanlage zu speisen.

Das katalytische Methanisierungsverfahren im Umfang einer Pilotanlage wird zum ersten Mal in einer industriellen Umgebung getestet. Das Verfahren ist darauf ausgelegt, abgeschiedenes CO2 (oder nahezu unbehandelte Abgase) und erneuerbaren Wasserstoff in synthetisches CH4 in einem Maßstab von 300 kg CH4/Tag umzuwandeln.

Das abgeschiedene CO2 wird auch zur Optimierung der bioelektrochemischen CO2-Umwandlung zu Acetat oder langkettigen Kohlenwasserstoffen verwendet. Im K1-MET-Labor werden reines Rauchgas/CO2 und Mikroorganismen in Mischkultur zur Optimierung des mikrobiellen Elektrosyntheseprozesses verwendet.

Ziele und Motivation

  • Ermittlung der optimalen Betriebsbedingungen des Aminwäschers unter Verwendung realer industrieller Abgase aus der Stahl- oder Chemieindustrie
  • Experimente und Echtzeitbetrieb zur Bestimmung des Einflusses von Abgasverunreinigungen/-spezies auf die CO2-Abscheidungseffizienz und die erforderliche Produktgaszusammensetzung für die nachgeschaltete Methanisierungsanlage
  • Untersuchung der Stabilität des Lösungsmittels sowie der Degradations-/Alterungstendenz
  • Analyse des CO2-armen Abgases im Hinblick auf Degradationsprodukte (z. B. ammoniakhaltige Stoffe)
  • Untersuchung von Gegenmaßnahmen auf Basis der Analyse (z. B Festbett-Ad- oder -Absorption zur Lösungsmittelaufbereitung)
  • Durchführung von Untersuchungen mit dem Fokus auf die Auswirkungen wichtiger Prozessparameter (z. B. Druck, Temperatur, Gasstundenraumgeschwindigkeit GHSV) auf die Produktausbeuten und die langfristige Prozessstabilität
  • Entwicklung und Erprobung verbesserter keramischer Wabenkatalysatoren mit erhöhter Leistung, um positive Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses zu erzielen

Vorgehensweise

  • Beschickung der Aminwäscheranlage mit realem Abgas (60 – 100 Nm³/h) aus dem Stahlwerk oder der nahe gelegenen Ammoniakproduktionsanlage
  • Kontinuierlicher Betrieb der Anlage, um wichtige Prozessparameter zu variieren und zu untersuchen (z. B. Volumenstrom des eintretenden Rauchgases, Art des flüssigen Lösungsmittels, Wärme- und Kältebedarf, Rückführraten)
  • Installation einer Lösungsmittelaufbereitungseinheit zur Rückgewinnung des Lösungsmittels, zur Entfernung von hitzestabilen Salzen und damit zur Verringerung des Verbrauchs an Lösungsmittelzusatz, was einen wichtigen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage hat
  • Direkter Anschluss des abgeschiedenen CO2 an die katalytische Methanisierungsanlage
  • Einsatz einer zweistufigen katalytischen Methanisierung in gekühlten Rohrbündel-Festbettreaktoren zur Umwandlung von reinem und verdünntem Kohlenstoffdioxid und grünem Wasserstoff in Methan im Pilotmaßstab
  • Aufbau von bioelektrochemischen Reaktoren in Form von H-Zellen und Inokulation der Kathodenkammern mit Rein- oder Mischkulturen
  • Überwachung und Vergleich der CO2-Umwandlung in wertvolle Verbindungen wie Acetat
  • Erprobung der mikrobiellen Elektrosynthese sowohl mit reinem CO2 als auch mit CO2-reichen Abgasen aus der energieintensiven Industrie

Ergebnisse und Anwendung

Die Versuchsphase wird Kennzahlen über die Energieeffizienz verschiedener Lösungsmittel, die Emissionswerte, die Grenzkonzentration von Verunreinigungen im recycelten CO2, die Lösungsmittelaufbereitung und die Rückgewinnung ergeben

Es soll ein Konzeptnachweis für die verdünnte und konzentrierte CO2-Methanisierung unter realen industriellen Bedingungen erbracht werden. Verbesserte keramische Wabenkatalysatoren für einen lastflexiblen Betrieb sollen zur Verfügung stehen. Die Technologie soll vom Labor- auf den Pilotmaßstab übertragen werden. 

Die mikrobielle Elektrosynthese von reinem CO2 zu Acetat oder langkettigen Kohlenwasserstoffen in Reaktoren im Labormaßstab (inokuliert mit Rein- oder Mischkulturen) wird entwickelt und optimiert. Die bioelektrochemische CO2-Umwandlung zu Acetat aus CO2-reichen Abgasen der energieintensiven Industrien wird getestet und die Produktionsraten werden bewertet.