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Herstellung von CO2-neutralen flüssigen Kraftstoffen durch Kombination von Fischer-Tropsch Synthese (FTS) und Hydrocracken (HC): Untersuchung verschiedener Katalysatoren sowie Prozesskonfigurationen

Herstellung von CO2-neutralen flüssigen Kraftstoffen durch Kombination von Fischer-Tropsch Synthese (FTS) und Hydrocracken (HC): Untersuchung verschiedener Katalysatoren sowie Prozesskonfigurationen
Stellenausschreibung: Links:
Stellenart:

Bachelor- oder Masterarbeit

Institut:

IMVT

Eintrittstermin:

Winter 2018 / Frühjahr 2019

Kontaktperson:

Kirsch, Hannah

Hintergrund und Motivation

Die globale Erderwärmung soll bis 2050 auf maximal 2 °C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau begrenzt werden. Der prozentuale Anteil des Verkehrssektors an der Emission von anthropogenen Treibhausgasen liegt bei fast 20 % und die weltweite Nachfrage an Mobilität wird in Zukunft sogar noch stetig ansteigen aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung und dem steigenden Lebensstandard. Studien zeigen, dass flüssige Kraftstoffe neben alternativen Optionen wie e-Mobilität und Wasserstoff, auch in Zukunft noch eine wichtige Rolle im Transportsektor spielen werden, besonders für den Schwerlastverkehr sowie den Flugverkehr. Die sogenannte Power-to-Fuel Technologie kann dazu beitragen, die Umstellung des auf flüssigen Kraftstoffen basierenden Verkehrssektors von fossilen Treibstoffen auf CO2-neutrale Treibstoffe zu realisieren. Erneuerbare Energie und Kohlenstoffdioxid werden in alternative flüssige Kraftstoffe umgewandelt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Reinheit sowie eine hohe volumetrische Energiedichte aus und die Drop-in Qualität ermöglicht es, die schon vorhandene Infrastruktur zu nutzen. Eine attraktive Prozessroute verläuft über die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) und Hydrocracken (HC). Das CO2 kann dabei auf verschiedene Wege aktiviert werden, zum Beispiel durch reverse Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS). Dezentrale, kleine Anlagen mit intensivierter Prozessführung, zum Beispiel realisiert durch Mikroreaktionstechnik, ermöglichen einen dynamischen Betrieb, um den Herausforderungen durch stark fluktuierende und lokal verteilte erneuerbaren Energien gewachsen zu sein.

 

Abbildung 1: Die Power-to-Fuel Technologie: Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus Kohlenstoffdioxid und erneuerbaren Energien.

Kombination von Fischer-Tropsch Synthese und Hydrocracken

In einem Projekt in Verbindung mit dem Kopernikus-Projekt Power-to-X und finanziert durch die Peter-und-Luise-Hager Stiftung wird die Integration der Kobalt-katalysierten Niedertemperatur-Fischer-Tropsch-Synthese mit dem Hydrocracken der FT-Produkte untersucht. In einem einstufigen Prozess wird Synthesegas hauptsächlich zu flüssigen Kraftstoffen (Kohlenwasserstoffe im Bereich der Kettenlängen von C10-C20) umgesetzt, indem die langkettigen Kohlenwasserstoffe aus der Fischer-Tropsch-Synthese nochmals selektiv gecrackt werden. Der integrierte Prozess hat einen entscheidenden Vorteil: Bei der Fischer-Tropsch Synthese ist die Selektivität der flüssigen Kraftstoffe nach der Anderson-Schulz-Flory Verteilung für Polymerisationsreaktionen auf maximal 40% begrenzt. Durch die Kombination von FTS und HC kann die Selektivität der flüssigen Kraftstoffe erhöht werden. Eine Herausforderung der Prozessintegration besteht darin, dass beide Katalysatoren bei gemeinsamen Reaktionsbedingungen und einem gemeinsamen Reaktionsmedium arbeiten.

Abbildung 2: Prozessintegration von Fischer-Tropsch Synthese (FTS) und (Hydrocracken).

Experimentelles

Für die Niedertemperatur-Fischer-Tropsch Synthese wird ein Co Katalysator verwendet. Für das Hydrocracken wird ein bifunktioneller Katalysator mit einer (de)hydrierenden metallischen Komponente und einem Zeolithen eingesetzt, an dessen sauren Zentren die langkettigen Kohlenwasserstoffe gecrackt werden. In einem am Institut für Mikroverfahrenstechnik vorhandenen Versuchsstand kann ein Mikrofestbettreaktor und zwei verschiedene mikrostrukturierte Reaktoren (siehe Abbildung 3) eingebaut werden, um verschiedenen Varianten der Prozessintegration abzubilden.

Abbildung 3: Verschiedene Reaktoren für die Prozessintegration von Fischer-Tropsch Synthese (FTS) und Hydrocracken (HC) (Mikrofestbettreaktor, mikrostrukturierter Reaktor I, mikrostrukturierter Reaktor II)

 

Forschungsthemen und Aufgaben der Arbeit:

Im Rahmen einer experimentellen Arbeit können (verschiedene) Katalysatoren für die Fischer-Tropsch Synthese und das Hydrocracken hergestellt sowie charakterisiert werden und deren Einfluss auf den Umsatz und die Selektivität des Gesamtprozesses untersucht werden. Des Weiteren kann die Herstellung von druckfähigen Katalysatorpasten und das Druckverfahren selber auf Basis von Vorgängerarbeiten am Institut weiter optimiert werden.

Aufgaben der Arbeit sind:

  • Literaturstudie
  • Herstellung FTS- und HC Katalysator sowie ggf. Herstellung der entsprechenden Katalysatorpasten und Beschichtung von mikrostrukturierten Folien mittels Siebdruck
  • Charakterisierung der Katalysatoren
  • Durchführung von Experimenten an einer Laboranlage
  • Evaluierung der (Umsatz Synthesegas, Kohlenwasserstoffproduktverteilung,…) der Experimente; Interpretation der Ergebnisse und ggf. Vergleich mit Literaturdaten
  • Vortrag der Ergebnisse der Arbeit innerhalb des Institutsseminars

 

Der Umfang (Bachelorarbeit oder Masterarbeit) der Arbeit sowie der Schwerpunkt der Arbeit kann nach Absprache festgelegt werden. Basiskenntnisse der Chemie/ des Chemieingenieurwesens sind Voraussetzung.

Anfang der Arbeit: Winter 2018 / Frühjahr 2019

Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. R. Dittmeyer

Betreuerin: M. Sc. H. Kirsch