Vorbereitende Untersuchungen zur Entwicklung und Erprobung eines innovativen Prozesses zur dezentralen Erzeugung von grünem Methanol aus Wasserstoff
Projektdurchführung
KIB Engineering & Consulting GmbH
Zeppelinstr. 4
82178 Puchheim
Zielsetzung
Unser Gesamtziel ist die Entwicklung einer neuen kleinindustriellen Methanol-Syntheseanlage, die standardisiert, modular und skalierbar ist und dezentral grünes Methanol aus biogenem CO2, Wasser und EE-Strom herstellt. Die Entwicklung soll final in die Umsetzung einer innovativen Methanol-Synthese-Anlage bei einem Erstkunden münden. Angestrebter Hauptabnehmer des Methanols soll die chemische Industrie sein.
Arbeitsschritte
Die KIB GmbH übernimmt die rechnergestützte Modellierung (Process Flowsheeting) und Entwicklung des gesamten Syntheseprozesses unter Einbeziehung des sich entwickelnden Reaktormodells der HM und des SOEC-Modells vom IKTS (AP 1). Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind:
• Auslegung und Optimierung der Gesamtanlage (Siehe Abbildung 1) – stationär und transient /zeitabhängig mit Berücksichtigung von Lastwechseln
• Stoffstromführung, insbesondere innovative Rückführung von CO2 vor die SOEC
• Thermische Integration, insbesondere der MeOH-Synthese und der SOEC
• Thermomanagement für alle Stoffströme/Abkühl-/Aufheizvorgänge (z.B. Auskondensieren des überschüssigen Wasserdampfs nach der SOEC)
Die HM führt eine rechnergestützte Reaktorentwicklung durch (AP 1B). Dabei entsteht ein dreidimensionaler virtueller Prototyp, der alle physikalischen und chemischen Zusammenhänge räumlich und zeitlich so exakt wie nötig abbildet. Dies ermöglicht eine gezielte Optimierung des Reaktors als Teil der Gesamtanlage.
Bei der parametrischen Entwicklung und Konstruktion des Reaktors werden folgende simulative Teilaufgaben gekoppelt:
• Festigkeitsanalyse (Finite Elemente Methode) für kombinierte mechanische und thermische Beanspruchung
• Strömungsmechanik, konduktiver und konvektiver Wärmetransport in Reaktions- und Kühlströmung mittels CFD (Computational Fluid Dynamics)
• Thermodynamik: Bestimmung der Wärmefreisetzung aus Reaktionsenthalpien, chemischen GGW-Lagen und Kinetik
• Stöchiometrie aus Reaktionsgleichungen
• Reaktionskinetik bzw. Umsatzraten in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Katalysator (in Zusammenarbeit mit C2Cat)
Ergebnisse
Die Zielsetzung, eine kompakte Methanol-Syntheseanlage zur dezentralen Erzeugung von grünem Methanol zu entwickeln, wurde in allen wesentlichen Aspekten erfüllt. Die wesentlichen technischen Entwicklungen – darunter ein neuartiger mikrostrukturierter Methanolreaktor, die Integration der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse sowie der systemische Aufbau der gesamten Prozesskette – wurden modellbasiert nachgewiesen. Der entwickelte Reaktor wurde zum Patent angemeldet, die Funktionsfähigkeit des Konzepts konnte auf Basis umfassender Prozesssimulationen validiert werden. Die Ergebnisse beruhen auf stationären Betriebszuständen und bilden eine belastbare Grundlage für die experimentelle Validierung in einer nächsten Projektphase.
Die verwendeten Parameter der Aggregate beruhen auf Katalogdaten oder Informationen von Herstellern und sind durch detaillierte herstellerdefinierte finale Parameter zu ersetzen. Dies wird in Phase 2 erfolgen, wenn von den handelsüblichen Aggregaten die geeignetsten Hersteller qualifiziert sind.
Bei der SOEC ist der Einfluss der verwendeten Werkstoffe auf der Kathodenseite auf das Synthesegas (Methanbildung) und die Auswirkung der rel. großen Spanne der Betriebstemperaturen der unterschiedlichen Anbieter zu prüfen und wenn möglich die Ergebnisse der Demonstrationsanlagen einzubinden.
Öffentlichkeitsarbeit
Eine veröffentlichung ist in bearbeitung und wird voraussichtlich Anfang März als pre print veröffnetlicht.
Fazit
Die ökologische Wirkung des ResiConMe-Verfahrens ist erheblich: Pro Anlage mit einer Kapazität von 4000t MeOH lassen sich jährlich bis zu 8.400 Tonnen CO₂-Äquivalente im Vergleich zur fossilen Methanolproduktion einsparen. Damit leistet die Technologie einen signifikanten Beitrag zur Energiewende und zur Dekarbonisierung der chemischen Industrie, insbesondere im Kontext der Nutzung negativer Residuallasten aus EE-Strom. Technologisch wurde ein deutlicher Effizienzgewinn gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Die modulare Bauweise und der Einsatz von 3D-Druck ermöglichen langfristig eine kosteneffiziente Skalierung.