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Katalysatoren für eine bessere Biokraftstoffproduktion

Biomasse ist weitaus komplexer als herkömmliche Rohstoffe und die Entwicklung der notwendigen Katalysatoren ist traditionell ein langwieriger und komplizierter Prozess. Damit Europa sein langfristiges Ziel, bis zum Jahr 2050 die Treibhausgasemissionen um 80-95 % zu senken, erreichen kann, ist eine kostengünstige Umwandlung von Biomasse in Kraftstoffe unerlässlich.
Katalysatoren für eine bessere Biokraftstoffproduktion
Das EU-finanzierte Projekt FASTCARD nutzte zwei verschiedene Wege, um die europäischen Verpflichtungen zur Herstellung von modernen Biokraftstoffen zu erfüllen. Die erste betrifft die „Verflüssigung“ von Biomasse und ist diejenige, die am ehesten wirtschaftlich mit fossilen Brennstoffen konkurriert, während die zweite die Vergasung von Biomasse einsetzt, die kurzfristig eine wirtschaftliche Herausforderung darstellen kann. „Die Initiative kombinierte grundlegende theoretische Studien und Erkenntnisse auf molekularer Ebene mit Modellen und experimentellen Aktivitäten im Pilotmaßstab“, sagt Projektkoordinator Dr. Duncan Akporiaye.

Die Forschung ermöglichte die kurz- und langfristige Umsetzung einer fortschrittlichen Biokraftstoffproduktion, die auf der raschen und risikoreduzierenden Industrialisierung von nanokatalytischen Verfahren via flüssigkeits- und gasbasierten Wertschöpfungsketten basiert. Das Konsortium kombinierte diese mit einer mikrokinetischen und prozessgestützten Modellierung, um die Mechanismen und die Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse besser zu verstehen. „Diese Modelle werden bei der Identifizierung vielversprechender Katalysatoren der nächsten Generation sowie bei der Hochskalierung vom Labor zum industriellen Maßstab helfen“, erklärt Dr. Akporiaye.

Verbesserte Leistung

Forscher entwickelten ein neuartiges „rationales Design“ für Nanokatalysatoren, das auf skalierbaren mathematischen und physikalischen Modellen basiert und zur Vorhersage der Leistung von Biomasse für eine bessere Kontrolle eingesetzt wurde. Sie schufen auch industriell relevante, aufschlussreiche Abwärtsskalierungsmethoden für die Bewertung der Auswirkungen verschiedener Bio-Rohstoffe auf die Katalysatorleistung. Dr. Akporiaye meint: „Die mikrokinetischen Modelle können auf die vier Hauptschritte der beiden Wege hin zu modernen Kraftstoffen angewendet werden.“

Die Projektpartner befassten sich mit den wichtigsten Herausforderungen, die die Effizienz und Umsetzung der vier wichtigsten katalytischen Schritte in biobasierten Prozessen beeinflussen. Dazu gehörten die Verbesserung der Selektivität und Stabilität bei der Hydrodesulfurierung (hydrotreating, HT) und die Erhöhung des Bioölgehaltes beim co-FCC (Co-Fluid Catalytic Cracking), die zusammen die flüssige Wertschöpfungskette bilden. Der Einsatz von HT half bei der Entwicklung einer neuen Generation von Katalysatoren zur Herstellung eines co-Feed zu bestehenden FCC-Einheiten, wodurch das Gesamtniveau der Behandlung minimiert wurde. Zu den Herausforderungen gehörte die Senkung des Wasserstoffverbrauchs, des Drucks und der Temperatur, um die Haltbarkeit zu verbessern und die Selektivität in Bezug auf die Entfernung von Sauerstoff zu erhöhen.

Das co-FCC-Verfahren war in der Lage, in FCC-Anlagen Biomasse und Rohöldestillate gemeinsam zu verarbeiten, die eine ähnliche oder bessere Leistung als ein moderner FCC-Katalysator aufweisen, indem der Gehalt der Biomasse-Mischung maximiert wurde. Der neue Katalysator soll die Anforderungen an die hydrothermale Stabilität erfüllen und den Einsatz strategischer Ressourcen wie seltener Erden und Edelmetalle um mindestens 20 % reduzieren.

Reduziertes Risiko

Wissenschaftler wählten und testeten außerdem Katalysatoren zum Reforming von Kohlenwasserstoff (HC) unter realen Bedingungen zur Herstellung von Synthesegas aus Biomasse und untersuchten die Wirkung von Nickel und/oder Palladium mit Eisen auf die katalytischen Eigenschaften. Darüber hinaus wurde das kohlendioxidtolerante Fischer-Tropsch-Verfahren eingesetzt, um neuartige Katalysatoren für kleine delokalisierte 500-3 000 Barrel pro Tag zu entwickeln, die die Selektivität und Stabilität von C5-Kohlenwasserstoffen bei höheren Temperaturen unter schwankenden Synthesegas-Bedingungen verbessern. Dies führte zu höherer Produktivität, höheren Energieeinsparungen und geringeren Investitionen.

FASTCARD bietet für die beiden wichtigsten Wege zu modernen Biokraftstoffen im Pilotmaßstab ein besseres Verständnis des Prozesses. „Das Projekt wird den teilnehmenden Unternehmen helfen, die bisher im Labormaßstab durchgeführten experimentellen Ergebnisse in den Pilotmaßstab zu überführen und damit die Risiken und Unsicherheiten zu reduzieren, die mit einer vollständigen Kommerzialisierung verbunden sind“, betont Dr. Akporiaye.

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

FASTCARD, Katalysator, Biomasse, Biokraftstoff, Pilotmaßstab
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