Auslegung eines Reformers zur effizienten Umsetzung von CO2 durch Wärmeintegration

Bearbeiter: Dipl.-Ing. R. Kelling

Motivation

Der Ausstoß von klimaschädlichem CO₂ beträgt derzeit etwa 28 Gt/a. Weitreichende Maßnahmen zur Vermeidung von CO₂-Emissionen, zur effizienten Energienutzung und zur Umstellung des Energiesystems auf erneuerbare Quellen sollen dem Klimawandel entgegen wirken. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwertung von CO₂ als Chemierohstoff. Die Energiewirtschaft trägt etwa zu einer Hälfte der CO₂-Emission bei. Im ersten Schritt muss CO₂ aus dem Abgas der Kohlekraftwerke abgetrennt werden (A). Danach kann die stoffliche Nutzung erfolgen, die bei CO₂ energetisch sehr aufwändig ist. Eine Möglichkeit ist die Verwendung hochenergetischer Reaktionspartner. Im Sinne der CO₂-Bilanz sollte dies nur im Zusammenhang mit regenerativer Energieerzeugung geschehen. Deshalb soll im vorliegenden Verbundprojekt die Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse (B) untersucht werden, die überwiegend durch regenerative Energie (C) betrieben wird. Im Mittelpunkt des Prozesses steht der Reformer (D), welcher am ICVT entwickelt wird und die Umsetzung von CO₂ und H₂ zu einem wichtigen Zwischenprodukt der Chemie CO ermöglicht. Als eine Alternative soll der Einsatz von CH₄ anstelle des Wasserstoffs untersucht werden. Die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (1) und die CO₂-Reformierung (2) sind endotherm und benötigen Energiezufuhr. Dies kann durch simultane Verbrennung oder durch eine hybride, durch regenerative Energie betriebene, Begleitbeheizung (E) erfolgen.

Abb. 1: Gesamtprozess der CO₂-Umsetzung durch regenerative Energie

Projektbeschreibung

Zu Begin werden verschiedene Reaktorkonzepte auf ihre Machbarkeit und Effizienz hin untersucht. Das ICVT hat hier in den letzten Jahren viel Know-How im Bereich Festbettreaktoren und Wärmeintegration gesammelt [1]:

• Strömungsumkehrreaktor (regenerativer, zyklischer Prozess)
• Rekuperative Reaktorsysteme (Wärmetauscherprinzip)
• und andere ...

Gleichgewichtsberechnungen, Simulationsstudien und erste Vorversuche im Rohrreaktor (Abbildung 2) ermöglichen eine gezielte Auswahl des Reaktorkonzeptes. Messungen der Reaktionskinetik für geeignete Katalysatoren der forschenden Projektpartner ermöglichen die Entwicklung eines detaillierten Modells des entwickelten Reaktorkonzeptes und somit dessen Detailauslegung. Projektpartner unterschiedlichster Gebiete entwickeln die einzelnen Komponenten des Gesamtprozesses (Abbildung 1). Der Reformer soll abschließend gebaut und in den Gesamtprozess integriert werden. Als effiziente hybride Heizmethode wird in Zusammenarbeit mit dem KIT Karlsruhe eine Mikrowellenheizung getestet.

Abb. 2: Rohrreaktor mit Induktionsbeheizung bei etwa 900°C

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Literatur

1. B. Glöckler, A. Gritsch, A. Morillo, G. Kolios, G. Eigenberger
   Autothermal reactor concepts for endothermic fixed-bed reactions
   Chemical engineering research and design, 82(A2): 148-159