Promotionsstipendium: Malte Semmel

Die wetterbedingte Fluktuation in Kombination mit der örtlichen Ballung erneuerbarer Energiequellen erfordert Speicherung und Transport der erzeugten elektrischen Energie in großem Maßstab. Unter diesem Aspekt wird die Umwandung der elektrischen Energie in chemische Energie zunehmend zu einem zentralen Baustein der Energiewende. Das Technologiefeld „Power-to-Liquids“ umfasst dabei die verschiedenen Routen, Wasserstoff aus der Elektrolyse zu flüssigen Energieträgern umzusetzen.

Dimethylether (DME) ist aufgrund seiner Eignung als Kraftstoff (Diesel, LPG) und seiner Rolle als Intermediat für Folgeprodukte (Ottokraftstoff, Olefine, Aromaten) ein vielversprechendes Zielmolekül.

Um CO2-Recycling im großen Maßstab umsetzen zu können und die „Tank oder Teller“-Problematik biomassebasierten Synthesegases zu vermeiden bedarf es kosten- und energieeffizienter Verfahren zur DME-Herstellung aus CO2 und Wasserstoff. Im Rahmen dieser Dissertation soll die DME-Synthese mittels Reaktivdestillation (RD) von (Roh-)Methanol untersucht und somit die indirekte Syntheseroute optimiert werden. Die Reaktivdestillation ist mittlerweile ein industriell etablierter Prozess und wird als Vorreiter im Bereich der Prozessintensivierung gesehen. Die Dehydratisierung von Methanol zu DME eignet sich aus verschiedenen Gründen für die Umsetzung einer RD:

• Umsatzsteigerung der gleichgewichtslimitierten Reaktion
• Hohe relative Flüchtigkeit von Produkt und Edukt
• Die Exothermie der Reaktion bietet das Potential, den externen Wärmebedarf im Kolonnenverdampfer zu reduzieren

Da in der Reaktivdestillationskolonne die Bedingungen der katalytischen Dehydratisierung denen der Destillation angepasst werden müssen, findet die Dehydratisierung von Methanol in der Flüssigphase statt. Diese Umsetzung ist zwar nicht die industrielle Praxis wurde jedoch in der Literatur bereits unter Verwendung verschiedener Katalysatoren demonstriert. Die Umsetzung unterschiedlicher Verfahrenskonzepte mit RD wurde in der Literatur lediglich simulativ betrachtet. 

Die Dissertation soll im Wesentlichen drei Arbeitspakete enthalten:

• Experimentelle und simulative kinetische Untersuchungen verschiedener industrieller Katalysatoren für die Flüssig­phasen-Dehydratisierung von Methanol. Hierbei sollen insbesondere die Anwendung von Rohmethanol als Feed und etwaige Deaktivierungs­mechanismen untersucht werden.
• Entwicklung, Modellierung und Bewertung verschiedener Verfahrens­konzepte der indirekten Route. Praktische Umsetzung und Validierung der Modellierung an einer Kolonne im Technikumsmaßstab.
• Techno-ökonomische Bewertung der beiden DME-Syntheserouten (direkt und indirekt) unter Berücksichtigung verschiedener Einflussparameter (CO2-Gehalt des Synthesegases, Stromgestehungskosten, …)

Diese Dissertation schließt die Prozesskette eines effizienten, kohlenstoffneutralen Power-to-DME Prozesses ausgehend von dynamischer Methanol-Synthese aus erneuerbarem Feedstock. Die Reaktivdestillation bietet das Potential die thermische Aufarbeitung der Methanol-Synthese, die anschließende DME-Synthese, sowie dessen thermische Aufarbeitung apparativ zu vereinfachen und energetisch zu optimieren.