Energieverfahrenstechnik

Wasserstoff als Energieträger und Reduktionsmittel für chemische und metallurgische Prozesse ist eine wichtige Komponente zur Dekarbonisierung in unterschiedlichen Bereichen der Industrie, beispielsweise der Stahlherstellung, aber auch in der Mobilität oder zur Herstellung synthetischer Kohlenwasserstoffe. Durch die Nutzung des Wasserstoffs entstehen keine CO2-Emissionen, jedoch sind CO2-arme Verfahren zur Produktion notwendig. Ein solches Verfahren stellt die Methanpyrolyse dar. Diese bezeichnet die Erzeugung von Wasserstoff aus Methan beziehungsweise Erdgas, wobei das Methan in Wasserstoff sowie festen Kohlenstoff gespalten wird. Hierfür sind unterschiedliche Prozessführungen möglich, die an der Montanuniversität in Zusammenarbeit von mehreren Lehrstühlen mit Industriepartnern bereits in einem Sondierungsprojekt untersucht wurden. Neben dem vergleichsweise geringen Energiebedarf ist das anfallende Nebenprodukt, fester Kohlenstoff, ein weiterer positiver Aspekt der Methanpyrolyse. Kohlenstoff bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, die ebenfalls im Zuge der Forschungstätigkeiten eingehend untersucht werden.

Im Rahmen eines Programms zur Wasserstoffproduktion an der Montanuniversität Leoben wird von mehreren Lehrstühlen gemeinsam die Prozessentwicklung der Methanpyrolyse weitergehend forciert. Zudem wird im Zuge dieser Kooperation wird auch eine gemeinsame Technikumsanlage entstehen, mit der die aussichtsreichsten Verfahren in einem größeren Maßstab erprobt werden. So werden beispielsweise ein Blasensäulenreaktor mit einer Metallschmelze sowie ein Plasmareaktor errichtet. Der Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes beschäftigt sich bei der Umsetzung der Versuchsanlage mit der Produktgasaufbereitung, die neben der Abtrennung des festen Kohlenstoffs auch die Separation von Wasserstoff und nicht umgesetztem Methan beinhaltet. Zusätzlich zu diesen experimentellen Untersuchungen werden auch Modellierungen und Simulationen des Prozesses durchgeführt. In der Arbeitsgruppe Energieverfahrenstechnik erfolgt dabei die CFD-Simulation einer reaktiven Blasenströmung in einer Metallschmelze.

Wie der Name erahnen lässt, sollen im Projekt BioHeat Verfahrensrouten entwickelt werden, mit denen aus Biomasse und Biomassereststoffen, wie z.B. Hackschnitzeln oder Klärschlamm, Hochtemperaturwärme für Industriebetriebe erzeugt werden kann.

Das Verfahren des Projekts BioHeat sieht so aus: Zunächst wird in einer zweistufigen Wirbelschichtvergasungsanlage für Biomasse ein Synthesegas erzeugt. Für die anschließende Verwertung dieses Zwischenprodukts gibt es dann zwei Möglichkeiten. Zum einen wird die direkte Verbrennung des Synthesegases in Testbrennersystemen untersucht. Die komplexere Forschungsfrage betrifft die zweite Route, in der zunächst aus dem Synthesegas mittels Methanisierung synthetisches Erdgas erzeugt wird, das langfristig zwischengespeichert und dann wieder in Industriewärme umgewandelt werden kann. Diese beiden Verfahrensvarianten sollen im Projekt verglichen werden. Zudem liegt ein Schwerpunkt in der Wertstoffrecyclierung von Alkali-Salzen aus der Bettasche der Vergasung, vorrangig um teure Deponierungsmassen zu reduzieren. Außerdem wir das Verfahren begleitend techno-ökonomisch bewertet.

Schwerpunkt Methanisierung am VTIU-Lehrstuhl:

Das Projekt BioHeat wird gemeinsam mit den Forschungspartnern TU Wien, BEST Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH, Wien Energie GmbH, Energy and Chemical Engineering GmbH, der Jagiellonian University Krakow und dem polnischen Apparatebauer Danex umgesetzt. Dieses transnationale Forschungsprojekt wird über die ERA-NET-Initiative (Networking the European Research Area) in Zusammenarbeit mit der FFG (Forschungsförderungsgesellschaft) finanziert. Die Hauptaufgabe am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik liegt in der Weiterentwicklung der katalytischen Methanisierung mit dem Fokus auf vollständigem Umsatz des Biomasse-Synthesegases aus der Vergasungsanlage. Doktorrand Andreas Krammer darf diese Aufgabe übernehmen, der damit nach dem Projekt HydroMetha sein zweites Projekt mit dem Schwerpunkt katalytische Festbettmethanisierung für den Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes bearbeitet.

Die Motivation für die Durchführung des Projekts „Carbon to Product Austria (C2PAT)“ sind die strengen nationalen und europäischen Klimaziele für die Jahre 2030 und 2040. Unternehmen mit einem hohen CO2-Fußabdruck müssen ihre Emissionen durch Modifikationen an den bestehenden Prozessen und Energieträger vermeiden oder durch innovative neue Verfahren entsprechend minimieren. Das „C2PAT“-Projekt ist eine Industriesektoren übergreifende Partnerschaft aus namhaften österreichischen, international tätigen Großunternehmen: Lafarge Zementwerke GmbH, Verbund AG, OMV AG und Borealis AG.

Prozessbedingt enthalten Zementwerkabgase einen sehr hohen Anteil an CO2. Etwa ein Drittel des emittierten Kohlenstoffdioxids entsteht durch die Verfeuerung der Brennstoffe um die erforderlich hohe Brenntemperatur von 1,450°C im Drehrohrofen für den Klinkerherstellungsprozess zu erreichen. Im Kalzinierungsprozess werden die weiteren zwei Drittel CO2 prozessbedingt freigesetzt. Der eingesetzte Brennstoffmix besteht zu mehr als 90% aus Ersatzbrennstoffen, wie Kunststoffe, Reifenflusen, Werkstättenabfälle, uvm.

Das Projekt „C2PAT“ ist dahingehend ausgerichtet, dass diese prozessbedingten, unvermeidbaren Kohlenstoffdioxidemissionen aus einem Zementwerk als Rohstoff für die Produktion erneuerbarer Kunststoffe verwendet werden sollen. Durch den Bau einer PtL-Pilotanlage am Lafarge-Standort Mannersdorf am Leithagebirge soll CO2 aus dem Zementwerkabgas abgeschieden und mithilfe des Reaktionspartners grüner Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen reagieren. In einem darauffolgenden Prozess wird das Zwischenprodukt durch weitere katalytische Umwandlung in das Endprodukt Kunststoff (Polymer) überführt. Neben der CO2-Nutzung ist dieses Projekt ein Paradebeispiel für die Kreislaufwirtschaft, da aus verfeuerten Kunststoffen über die Abscheidung und Verwendung von CO2 im Zementwerkabgas wieder das Produkt Kunststoff zurückgewonnen wird.

Im Bereich des Zementwerks Mannersdorf am Leithagebirge wird eine Power-to-liquid Pilotanlage geplant, in der etwa 10,000 Tonnen CO2 pro Jahr aus dem Zementwerkabgas verarbeitet werden können. Diese Anlage dient als Vorprojekt zur Erprobung der PtL-Technologie an der Schnittstelle zwischen Zementindustrie, Netzanbindung mit erneuerbarem Strom und Elektrolyse, chemischer Konversion sowie der Zusammenarbeit von einem derart großen Industriekonsortium. Diese Untersuchungen bereiten eine geplante Großanlage vor, die eine Jahreskapazität von 700,000 Tonnen CO2 erreichen soll.

Weiterführende Informationen: C2PAT

Die natürliche Karbonatisierung, auch als Silikatverwitterung bekannt, beschreibt einen Prozess, bei dem atmosphärisches CO₂ mit Alkali- und Erdalkalimetallen zu einem Karbonat reagiert. Dieser in der Natur ablaufende Prozess findet über einen geologischen Zeitraum statt und besitzt daher eine äußerst langsame Reaktionskinetik. Das gegenständliche Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Beschleunigung des Karbonatisierungsvorgangs. Unter optimierten Druck- und Temperaturbedingungen wird die CO₂-Aufnahmefähigkeit metalloxidhaltiger Mineralien untersucht. Dabei werden die Metalloxide (MO), vorwiegend Magnesium- oder Calciumoxid, wie in Reaktionsgleichung (1) dargestellt, in Kontakt mit Kohlenstoffdioxid gebracht und so ein Karbonat (MCO₃) erzeugt. Die Karbonatisierung stellt eine exotherme Reaktion dar, weswegen bei der Entstehung des Karbonats zusätzlich Wärme freigesetzt wird.

MO + CO₂ → MCO₃ + Wärme    (1)

Gemeinsam mit unserem Projektpartner RHI Magnesita erforscht die Montanuniversität Leoben das Karbonatisierungspotential verschiedener Mineralien und Sekundärrohstoffe unter Verwendung einer direkten wässrigen Karbonatisierung. Hierbei wird eine Karbonatisierungsreaktion unter Zugabe von Wasser ermöglicht und die CO₂-Aufnahme durch Anpassen diverser Parameter wie Temperatur, CO₂-Partialdruck, Partikelgröße oder auch der Verwendung von Additiven beschleunigt. Bei dem verwendeten Laboraufbau handelt es sich um einen Batchprozess, bei dem zunächst Feststoff zusammen mit Wasser eingefüllt wird. Der Reaktor wird anschließend verschlossen, aufgeheizt und nach Erreichen der gewünschten Temperatur ein reiner CO₂-Gasstrom eingeblasen. Unter diesen erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen findet anschließend eine Karbonatisierungsreaktion statt. Das fertige Produkt wird nach Abschluss des Versuchs entnommen und analysiert.

Im Projekt „Innovation Flüssige Energie“ (IFE) wird eine Anlage zur hocheffizienten Erzeugung von CO2-neutralen synthetischen Kraftstoffen konzeptioniert und Teilsysteme entwickelt. Es wird eine Festoxid-Co-Elektrolysezelle (Co-SOEC) mit einer effizienten CO2-Gewinnung und einem Fischer-Tropsch (FT) Prozess kombiniert. Die Anlage erzeugt aus Wasser und CO2 synthetischen Diesel, Naphtha und Wachse. Die SOEC wird als Co-Elektrolyse betrieben und erzeugt dadurch in einem Verfahrensschritt Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Damit und mit der wärmetechnischen Kopplung der Co-SOEC und dem FT-Prozess kann ein wesentlich höherer Wirkungsgrad als mit alkalischen und PEM Niedertemperatur-Elektrolyseuren sowie nachgeschalteten FT-Prozessen erreicht werden.

Die Anlage wird für eine maximale elektrische Eingangsleistung von 1 MW dimensioniert, wodurch die Produktion von etwa 500.000 Liter synthetischem Kraftstoff pro Jahr ermöglicht werden soll. Sie soll des Weiteren in einem breiten Lastereicht arbeiten können, da bei Betrieb mit regenerativ erzeugtem Strom (z.B. Strom, Wind, Wasserkraft) die verfügbare elektrische Eingangsleistung stark schwanken kann. Die zu entwickelnde Technologie soll nach einer anschließenden Industrialisierungsphase in Österreich produziert und in das österreichische Energiesystem integriert werden.

Für die Arbeitsgruppe des VTiU liegt in diesem Projekt der Forschungsschwerpunkt auf der Bewertung und Auswahl der verfügbaren CO2-Gewinnungstechnologien sowie auf der Erstellung eines Prozesskonzeptes für die Aufbereitung der FT-Produkte.

Weiterführende Informationen: iwo-austria.at/innovation-fluessige-energie

Das Tri-Reforming Projekt zielt darauf ab energie- und kohlenstoffreiche Abgasströme aus der Petrochemie, Stahlherstellung oder Feuerfestindustrie in den Reforming Prozess zu integrieren um damit ein Synthesegas herzustellen zu können. Auf Grund der Komplexität der bestehenden Industrieprozesse existiert eine große Menge an CO₂ Quellen die für eine katalytische Reformierung in Frage kommen. Am Beispiel der Stahlherstellung lässt sich zeigen, dass die größten Mengen an CO₂ (65%) im Gichtgas anfallen, gefolgt vom Kokereigas mit 27% und dem Abgas aus der Sinteranlage mit 6%. Für den Anwendungsfall einer Erdölraffinerie, sind die Schmelzöfen und Kessel mit 65% die Hauptemitter von CO₂. Die katalytischen Cracker und Vergaser stehen hier mit 16% an zweiter Stelle. In die Feuerfestindustrie fallen 70% aller Emissionen bereits bei der Verarbeitung der Rohmaterialen an. Die thermische Energie, die im Herstellungsprozess selbst anfällt, ist für weniger als 20% verantwortlich.

Beim Ansatz des „Tri-Reformings“ soll durch Zugabe von Methan in die jeweiligen Abgase eine katalytische Umsetzung von CO₂ zu einem Synthesegasgemisch erreicht werden, ohne dass CO₂ vorher kostspielig abgeschieden werden muss. Es finden somit in einer Reaktoreinheit alle drei Reforming-Prozesse (Steam Reforming, CO₂ Reforming, partielle Oxydation von Methan) statt. Das erzielte H₂/CO Verhältnis des produzierten Syngases steht hier neben der Lebensdauer- und Performanceoptimierung des Prozesses im Fokus der Forschungsarbeiten. Für die Untersuchung dieses Prozesses wird im Technikum des Lehrstuhls eine Reforming-Anlage im Zuge des Forschungsprojekts errichtet und in Betrieb genommen.

In der EU fallen jährlich über 25 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle an, wovon mit rund 40 % kurzlebige Verpackungen den Hauptanteil darstellen. Um fossile Ressourcen zu schützen und die geforderten Verwertungsquoten zu erreichen, ermöglicht das ReOil-Verfahren eine attraktive Option zum rohstoffliche Recycling von Kunststoffabfällen mittels Pyrolyse. Dabei können auch verunreinigte, gemischte Fraktionen wiederverwerten werden, die für ein mechanisches Recycling durch Regranulation nicht oder nur unter großem Sortieraufwand zugänglich sind. Bei diesem innovativen Ansatz werden Polymere unter Luftabschluss auf Temperaturen über 400 °C erhitzt, wodurch die Kohlenwasserstoffketten in kürzere Fragmente gebrochen werden (thermisches Cracken). Das entstehende Produkt weist ein breites Kettenlängenspektrum auf, eignet sich aufgrund der chemischen Zusammensetzung als Rohölsubstitut und kann in bestehender Raffinerieinfrastruktur zu petrochemischen Produkten, Ausgangsstoffen für die Kunststoffherstellung und Treibstoffen veredelt werden.

Der Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes übernimmt im FFG-geförderten Kooperationsprojekt dabei die wissenschaftliche Begleitung zur Weiterentwicklung, Optimierung und Maßstabsvergrößerung des Kunststoffpyrolyse-Verfahrens. Dabei werden Fragestellungen zu potentiellen Einsatzströmen, den Einflussfaktoren auf das Betriebs- und Produktverhalten, zum Reaktionsmechanismus sowie der Kinetik untersucht. Neben experimentellen Untersuchungen im Labor- und Pilotmaßstab kommen hierfür Methoden der Modellierung und Simulation zum Einsatz.

Weitere Informationen sind unter anderem zu finden in:

Schubert, T., Lechleitner, A., Lehner, M., & Hofer, W. (2019). 4-Lump kinetic model of the co-pyrolysis of LDPE and a heavy petroleum fraction. Fuel, 116597. doi: 10.1016/j.fuel.2019.116597

Schubert, T., Lehner, M., Karner, T., Hofer, W., & Lechleitner, A. (2019). Influence of reaction pressure on co-pyrolysis of LDPE and a heavy petroleum fraction. Fuel Processing Technology, 193, 204-211. doi: 10.1016/j.fuproc.2019.05.016