Prozessoptimierung für die Methanisierung von CO₂ – vom Labor zum Technikum

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die uber die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Masstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung fur die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor praparierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Grosen zur Beschreibung der Aktivitat der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivitat bezuglich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Umsatze und Ausbeuten von uber 90% und Selektivitaten von nahezu 100% gemessen. Durch eine Anderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes konnen die optimalen Prozessbedingungen fur die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen und realen Abgasen (Oxyfuel, CCS) und darauf bezogen, der Einfluss einer Verdunnung des CO₂ durch Stickstoff und Sauerstoff und der Rolle von bekannten Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Stickoxiden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Starke der Verunreinigung an Schwefel, der Reaktortemperatur und der Abnahme der katalytischen Aktivitat ermittelt werden. Die Produktion von Kohlenmonoxid gibt zusatzlich Aufschluss uber stattfinden Teil-und Nebenreaktionen. Ergebnisse in der Laboranlage konnten zum Teil fur den Aufbau einer Technikumsanlage, welche eine Vergroserung zum Labor um den Faktor 5000 darstellt, genutzt werden. Eine Zahl von Experimenten wurde im Technikum wiederholt. Die Technikumsanlage ist dabei in der Lage ca. 250 kg CO₂ pro Tag aus CO₂-haltigen Abgasen in Methan umzuwandeln. Ein erweiterter Praxisbezug stellte die Einbindung des Technikums in einem Kraftwerk dar und die Messung mit realem Rauchgas. Ohne zusatzliche Reinigungsschritte des Abgases konnten auch hier Umsatze von 90% erreicht werden. Eine komplexe Temperaturentwicklung und Erhohung auf 600°C im Reaktor wurde aufgezeichnet und fuhrt dabei zur Abnahme des Umsatzes auf ca. 60%. Bei diesen Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen, durch die exotherme Reaktion, erzeugter und abgefuhrter Warme ein. Als Reaktionsprodukt wird ein Schwachgas erhalten, welches fur die Ruckverstromung eingesetzt werden kann. In der Methanisierung von CO₂ besteht die Moglichkeit das CO₂ in einen Kreislauf (Power-to-Gas) zu binden und so die Emission von Treibhausgasen zu mindern. Das erzeugte Methan fungiert als chemischer Energiespeicher und tragt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei.