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Katalytische Reaktionen sind für den Energiesektor von entscheidender Bedeutung, da sie überall eingesetzt werden, um einfache Erdgase und Biomasse in energiereiche Brennstoffe und Chemikalien umzuwandeln. Ein fester Katalysator wird mit gasförmigen Reaktionspartnern in Kontakt gebracht, um die Bildung der gewünschten Produkte zu beschleunigen und die Effizienz drastisch zu erhöhen.
Seit Jahrzehnten werden diese Reaktionen in Festbettreaktoren durchgeführt, die mit in zufälliger Reihenfolge angeordneten Katalysatorpellets gefüllt sind. Diese Festbettkonstruktion begrenzt das Reaktionspotenzial, da die Wärmeübertragung in den oder aus dem Reaktor nur langsam erfolgt.
„Ein kritischer Aspekt bei solchen Prozessen ist das Management der Reaktionswärme“, erklärt Enrico Tronconi, Professor für Chemietechnik am Polytechnikum Mailand. „Für neue, effiziente und kompakte Prozesseinheiten, wie sie angesichts dezentraler Energieszenarien dringend erforderlich sind, müssen solche Hindernisse beseitigt werden“, fügt er hinzu.
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts INTENT hat Tronconi einen neuen „strukturierten Reaktor“ entworfen, der die Wärmeübertragung bei katalytischen Prozessen intensivieren und die Nachhaltigkeit des Energiesektors erheblich steigern könnte.
„Wir haben sowohl durch Experimente als auch durch mathematische Modellierung dargelegt, dass wir eine viel effizientere Wärmeübertragung erwarten können als in Festbetten, wenn die Einbauten aus einem gut leitenden Material bestehen – beispielsweise Aluminium oder Kupfer“, sagt Tronconi. „So werden beispielsweise schädliche Hitze- oder Kältepunkte im Reaktor vermieden.“
Interne Strukturen einführen
Indem die zufällig angeordneten Katalysatorpellets durch strukturierte Katalysatoren wie Waben oder offenzellige Schäume ersetzt werden, nutzt der Reaktor einen anderen Wärmeübertragungsmechanismus: die Wärmeleitung in der Matrix der Struktur.
Diese „Einbauten“, bei denen es sich um offenzellige Schäume oder 3D-gedruckte Strukturen handeln könnte, können dann katalytisch aktiviert werden, indem sie mit einer aktiven Katalysatorschicht überzogen werden. Dieses Verfahren wird als „Waschbeschichtung“ bezeichnet. Alternativ können sie auch mit Katalysatorteilchen einer für die gewünschte Reaktion geeigneten Größe gefüllt werden.
„In beiden Fällen sorgt die hochleitfähige Zellstruktur für einen hervorragenden Wärmetransport und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Reaktor und beseitigt damit den größten Prozessengpass“, bemerkt Tronconi.
Leitfähige Reaktoreinbauten entwerfen und erproben
Das INTENT-Team untersuchte zwei Generationen leitfähiger Reaktoreinbauten, zunächst mit handelsüblichen Zellmaterialien und dann mit einer neuen Klasse technischer, 3D-gedruckter Entwürfe. Anschließend analysierten sie diese Strukturen als Katalysatorträger mithilfe einer innovativen Methodik, die Experimente mit Computermodellen kombiniert.
Parallel dazu prüften die Forschenden die Anwendung des neuen Reaktorkonzepts im Labormaßstab für zwei Schlüsselprozesse: die Fischer-Tropsch-Synthese (FT-Synthese), mit der saubere Kohlenwasserstoffbrennstoffe hergestellt werden, und die Methandampfreformierung, die am häufigsten verwendete und kostengünstigste Methode der Wasserstofferzeugung.
Der ursprüngliche INTENT-Plan sah außerdem die Untersuchung strukturierter Katalysatoren für die solare Reformierung vor, d. h. die Nutzung der Sonneneinstrahlung als Wärmequelle für die Methandampfreformierung. In den vergangenen Jahren ist ein neues Konzept entstanden, das elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen für die Wärmeversorgung nutzt. Im Rahmen von INTENT hat das Team daher seine Aktivitäten auf die Erforschung dieses Konzepts ausgerichtet und zwei neue Anlagen für den Betrieb elektrifizierter Methandampfreformierung entworfen und gebaut.
Zu einer Zukunft mit sauberer Energie beitragen
Dank der vielversprechenden Ergebnisse erregte die Arbeit von INTENT an der Elektrifizierung der Methandampfreformierung sofort die Aufmerksamkeit eines großen italienischen Energieunternehmens. Das Team arbeitet nun gemeinsam an der Entwicklung einer elektrifizierten Anlage für die CO2-arme Wasserstoffproduktion in kleinem Maßstab.
INTENT hat eindeutig nachgewiesen, dass die Anwendung thermisch und elektrisch leitfähiger zellulärer Reaktoreinbauten ein großes Potenzial für die Intensivierung katalytischer Prozesse birgt, so Tronconi.
„Angesichts der aktuellen Beschleunigung der Energiewende ist der Bedarf an einer solchen Intensivierung heute noch viel größer als bei der ursprünglichen Projektkonzeption vor sieben Jahren.“