Eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Möglichkeit, Methan mit nur einem Schritt in Flüssigkraftstoffe umzuwandeln
Das EU-finanzierte Projekt ZEOCAT-3D hat eine neue Technologie für die direkte Umwandlung von Methan in hochwertige aromatische Verbindungen – Benzol und Naphthalin – und Wasserstoff entwickelt. Mit dem neuen Verfahren kann Methan aus anderweitig nicht nutzbaren Quellen effizienter in transportierbare Flüssigkraftstoffe umgewandelt werden. Es trägt so auch dazu bei, die Treibhausgasemissionen der Industrie zu senken.
Ein alternatives Gasverflüssigungsverfahren mit nur einem Schritt
Die Umwandlung von Methan – dem Hauptbestandteil in Erd- und Biogas – in Kraftstoffe und Ausgangsmaterialien für die Chemikalienindustrie nennt sich Gasverflüssigung. Mit den meisten Technologien werden Methan und Kohlendioxid in eine Mischung aus Wasserstoffmolekülen und Kohlenmonoxid umgewandelt, sogenanntes Synthesegas. Aus diesem Synthesegas können mittels des bekannten Fischer-Tropsch-Verfahrens verschiedene Produkte wie Olefine, Benzin und sauerstoffhaltige Kraftstoffkomponenten erzeugt werden. Alternativ kann Synthesegas durch Methan-zu-Benzin- oder Methan-zu-Olefin-Verfahren in synthetische Kraftstoffe und andere wichtige Produkte umgewandelt werden. „Diese kommerziellen Ansätze sind auf Industrieniveau tragbar, umfassen jedoch mehrere Schritte der Methanumwandlung. Bisher gab es keine direkten Verfahren auf Industrieniveau, die kommerzialisiert wurden“, merkt die Projektkoordinatorin Maria Tripiana an. Darüber hinaus ist die Umwandlung von Synthesegas energie- und kostenintensiv. Außerdem muss der Sauerstoff aus dem Synthesegas gefiltert werden, bevor es in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden kann. „Über ZEOCAT-3D haben wir eine rentablere und umweltfreundlichere Methode zur Methanumwandlung gefunden, mit der auch Zwischenschritte überflüssig werden. Wir nutzten eine chemische Reaktion namens Aromatisierung durch Dehydratisierung aus, die Methan direkt in aromatische Verbindungen und Wasserstoff umwandelt“, erklärt Tripiana. „Als Alternativen zu Öl stellen Benzol und Naphthalin interessante Rohmaterialien für die Produktion von Flüssigkraftstoffen und hochwertigen Chemikalien dar. Des Weiteren wird Wasserstoff als Nebenprodukt extrahiert, der in der Ammoniakherstellung oder in Brennstoffzellen verwendet werden kann.“
Die Schlüssel zum Erfolg: 3D-gedruckte Katalysatoren und ein fortschrittliches Reaktordesign
Die bisherigen Katalysatoren zur Beschleunigung der Aromatisierung durch Dehydratisierung von Methan sind nicht besonders effizient. Mit dem Katalysator von ZEOCAT-3D werden zwei zentrale Herausforderungen bewältigt, die dieser chemischen Reaktion im Weg stehen: die Schwierigkeit, die gewünschten hochwertigen Verbindungen zu erhalten, da sich häufig unerwünschte Nebenerzeugnisse bilden (schlechte Selektivität), und eine schnelle Deaktivierung des Katalysators aufgrund von Kohlenstoffablagerungen in den Poren des Katalysators (bekannt als Verkokung). „Anhand hierarchischer Modellierung und Simulationen konnten wir zeigen, dass die Verkokung kein Problem mehr darstellt, wenn man die Größe, Morphologie und den Grad der Agglomeration der Nanopartikel reguliert“, betont Tripiana. „Wir entschieden uns, mittels digitaler Lichtverarbeitung 3D-Zeolithen mit höherer katalytischer Aktivität zu synthetisieren. Wir konnten erstmals neue hierarchische Zeolithen mit vier unterschiedlichen eingebetteten Porenstrukturen erzeugen. Durch eine Kombination von zwei oder mehr Zeolith-Porentopologien auf Mesoskala kann der Nanopartikeltransport und die selektive Umwandlung von Stoffwechselintermediaten optimiert werden“, ergänzt Tripiana. Der Prototyp für die katalytische Reaktion beinhaltete ein Reinigungssystem, sodass Methan mit einer Reinheit von über 95 % gewonnen wird, sowie eine Wasserstoff-selektive Keramikmembran und ein Filtersystem, das Schwebstoffe im Produktstrom entfernt (karbonatisch oder Asche). Mit diesem kompakten, modularen Reaktor können vier normale Liter pro Minute Gasstrom behandelt und 40 Gramm hochwertiger Produkte pro Stunde erzeugt werden. ZEOCAT-3D hat neue Einblicke in den Aufbau hocheffizienter Katalysatoren und Reaktoren für die Produktion hochwertiger Produkte geliefert. So können die Treibhausgasemissionen gesenkt werden, was als Grundstein für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft dienen könnte. Die Ergebnisse von ZEOCAT-3D werden kommenden Projekten Orientierung bieten, indem die vorgestellte Technologie auf einen höheren Reifegrad ausgebaut wird.
Schlüsselbegriffe
ZEOCAT-3D, Methan, Synthesegas, Zeolith, Flüssigkraftstoffe, aromatische Verbindungen, Chemikalien, Verkokung, 3D-gedruckte Katalysatoren