E2Fuels: Entwicklung eines einstufigen Reaktionssystems zur Methanolsynthese aus CO2 und regenerativem Wasserstoff mittels in-situ Produktsorption

Erneuerbare Energien erzeugen Strom unabhängig vom Strombedarf. Je nach Wetterlage kommt es zu einer Über- oder Unterproduktion von Strom. Um die Produktion dem Bedarf anzupassen, werden Puffer benötigt, die Überschussstrom speichern und zu Zeiten einer positiven Residuallast zurück ins Netz speisen.

Eine vielversprechende Möglichkeit um Energie zu speichern ist die Elektrolyse von Wasser, bei der sich Wasserstoff bildet. Mit einem Wert von 33.3 kWh kg-1­ besitzt Wasserstoff die höchste gravimetrische Energiedichte aller Moleküle. Seine volumetrische Energiedichte von 0,003 kWh L-1 hingegen ist sehr gering, was mit dem gasförmigen Aggregatszustand von Wasserstoff bei Umgebungsbedingungen zusammenhängt. Daraus resultiert, dass das Speichern von Wasserstoff mit hohen Drücken und strengen Sicherheitsvorschriften aufgrund seiner explosiven Natur zusammenhängt. Eine Möglichkeit diese Problematik zu umgehen, ist die weitere Verarbeitung des Wasserstoffs zu Kraftstoffen und Plattformchemikalien. In einer techno-ökonomischen Analyse in Zusammenarbeit mit der Siemens AG wurde Methanol als chemischer Energieträger identifiziert, der anderen Produkten in technologischen und ökonomischen Aspekten überlegen ist [1].

Um Elektrolysewasserstoff in „grünes“ Methanol umzuwandeln, soll anthropogenes CO2 als Kohlenstoffquelle verwendet werden. Die Methanolsynthese mit CO2 ist jedoch stark gleichgewichtslimitiert. Dies führt zu geringen Umsätzen pro Reaktordurchlauf und hohen Energiekosten für das Recycling nicht umgesetzter Eduktgase. Deshalb kommt im Projekt E2Fuels das Konzept der in-situ Produktabsorption zum Einsatz. Bei diesem wird das Reaktionsgleichgewicht durch das Entfernen der Produkte über eine Absorptionsflüssigkeit, welche sich im unteren Teil des Reaktors befindet, auf Seiten der Produkte verschoben (siehe Abbildung 1). Das flüssige Sorptionsmittel wird kontinuierlich über einen Desorber zirkuliert, in dem die leichtsiedenden Produkte ausgetrieben werden [2].

Abbildung 1: Schematische Darstellung der kontinuierlichen Methanolsynthese mit in-situ Produktsorption aus H2 und CO2 mit getrennter Reaktions- und Sorptionszone und externem Recycle zur Sorbentregeneration [2]

E2Fuels ist ein vom BMWi gefördertes Verbundprojekt, das sich mit der Synthese verschiedener e-Fuels wie Wasserstoff, Methanol und OME und ihren mobilen, maritimen und stationären Anwendungen beschäftigt. Im Rahmen des Projektes werden die technologischen, ökonomischen und ökologischen Aspekte der gesamten Prozesskette von einem breit aufgestellten Konsortium aus Industrie und Forschungsinstituten untersucht. Es soll eine Roadmap für die Einführung von e-Fuels erarbeitet werden mit dem Ziel einen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen zu leisten.

 

[1] A. Tremel, P. Wasserscheid, M. Baldauf und T. Hammer, „Techno-economic analysis for the synthesis of liquid and gaseous fuels based on hydrogen production via electrolysis“, International Journal of Hydrogen Energy, Jg. 40, Nr. 35, S. 11457–11464, 2015, doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.01.097.

[2] J. Reichert et al., „Shifting the equilibrium of methanol synthesis from CO2 by in situ absorption using ionic liquid media“, Sustainable Energy & Fuels, Jg. 3, Nr. 12, S. 3399-3405, 2019, doi: 10.1039/C9SE00494G.