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MEthane activation via integrated MEmbrane REactors

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Neuartige Membranen und Katalysatoren zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie

Die Produktion von Ethylen (C2H4) gehört zu den Branchen mit den höchsten Kohlendioxidemissionen in Europa. Eine EU-finanzierte Forschungsgruppe hat daher ein kosteneffizientes, umweltfreundliches Verfahren entwickelt, das höhere Erträge bietet, als aktuelle Technologien erreichen können.

Energie

C2H4 wird in größeren Mengen als alle anderen organischen Verbindungen hergestellt und ein Großteil davon wird zu Polyethylen verarbeitet, dem heutzutage am weitesten verbreiteten Kunststoff. In Europa wird C2H4 durch Dampfspaltung von Naphtha hergestellt, wobei allerdings große Mengen an Kohlendioxid (CO2) als Nebenerzeugnis entstehen. Eine Möglichkeit, den CO2-Ausstoß zu senken, ist die Herstellung von C2H4 aus Methan (CH4), das allgemein verfügbarer, weniger umweltschädlich und kostengünstiger als Naphtha ist. Allerdings ist das Verfahren zur Umwandlung von Methan in C2H4, die sogenannte oxidative Methankupplung, aufgrund seiner geringen Erträge nicht kommerziell tragfähig. Das EU-finanzierte Projekt MEMERE widmete sich dieser Herausforderung, indem es einen neuartigen Membranreaktor zur direkten Umwandlung von CH4 in C2H4 mithilfe integrierter Luftzerlegung entwickelte. Die Initiative zielte darauf ab, im Vergleich zum Stand der Technik die Ethylenerträge zu erhöhen und gleichzeitig die Produktionskosten, Energieintensität und Emissionen zu senken. Das Forschungsteam entwickelte neuartige, kostengünstige und dennoch resistentere sauerstoffselektive Membranen für die Luftzerlegung und verteilende Einspeisung von Sauerstoff in den Reaktor. „Das Ziel ist, einen soliden Konzeptnachweis abzuliefern und die Technologie für den Technologie-Reifegrad 5 zu validieren, indem wir ein Protoypmodul gestalten, bauen, betreiben und validieren, das auf der oxidativen Methankupplung beruht und in eine Kleinanlage integriert werden wird, die in einem Container transportiert werden kann“, gibt der Projektkoordinator Fausto Gallucci an.

Ein neuer Ansatz

Die Arbeitsgruppe des Projekts konzentrierte sich auf die Luftzerlegung durch die Integration gemischt ionisch-elektronisch leitender Membranen in einen Reaktor zur oxidativen Methankupplung bei hohen Temperaturen. „Dadurch dass wir verschiedene Schritte des Verfahrens in einer einzigen Multifunktionseinheit vereinten, erhofften wir uns, wesentlich höhere Erträge als mit herkömmlichen Reaktoren zu erzielen“, erklärt Gallucci. Bei der oxidativen Methankupplung wird Sauerstoff abgeschieden, der dann durch Keramikmembranen in den Reaktor eingespeist wird, während die Reaktion auf einem Katalysator vonstattengeht, der bei geringen Sauerstoffkonzentrationen funktionsfähig ist. Diese Kombination ermöglicht höhere Erträge und geringere Kosten im Vergleich zu Standardtechnologien. Das Konsortium entwickelte daher Katalysatoren, die bei den Reaktionsbedingungen und insbesondere bei geringen Sauerstoffkonzentrationen stabiler sind, und erschuf Membranen, die bei Reaktionsbedingungen eingesetzt werden können. „Wir haben poröse Magnesiumoxidmembranen für die Sauerstoffeinspeisung bei hohen Temperaturen entwickelt. Diese wurden dann hochskaliert und erprobt. Gleichzeitig entwickelten wir Zwei- und Dreiphasenmembranen zur Sauerstoffabscheidung in Reaktoren mit hohen Mengen an CO2, das die Leistung der meisten aktuell verfügbarer O2-Membranen vernichtend einschränkt“, bemerkt Gallucci.

Viele Vorteile

MEMERE erarbeite viel neues Wissen von Fragen der Grundlagenwissenschaft bis hin zu technisch-wirtschaftlichen und Lebenszyklusanalysen. Gallucci erklärt dazu: „Unsere spannendsten Ergebnisse haben mit der Entwicklung neuer Technologien für Membranen und 3D-gedruckte Katalysatoren zu tun. Gleichzeitig konnten zahlreiche Doktorandinnen und Doktoranden sowie MSc-Studierende in enger Zusammenarbeit mit der Industrie direkt an der Technologie mitwirken.“ Eine verbesserte Effizienz der chemischen Industrie wird Europa dabei unterstützen, auf dem Weltmarkt wettbewerbsfähiger zu werden und daraufhin mehr in neue nachhaltigere Technologien zu investieren und Treibhausgasemissionen zu senken. Darüber hinaus wird das Projekt der Gesellschaft zugutekommen, da seine Ergebnisse zu neuen Arbeitsplätzen in den Bereichen der Membranen und Katalysatoren sowie in anderen Industriezweigen führen werden. „Die Technologie von MEMERE kann auch in kleinem bis mittlerem Maßstab eingesetzt werden, um CH4 umzuwandeln, das in entlegenen Gebieten produziert wird, wo herkömmliche Technologien derzeit nicht genutzt werden können“, schließt Gallucci.

Schlüsselbegriffe

MEMERE, Membran, Reaktor, Methan (CH4), Katalysator, Kohlendioxid, oxidative Methankupplung

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