Neue Technologie zur Dekarbonisierung der Methanol- und Olefinsynthese

Die Chemieplattform Les-Roches-Roussillon produziert Olefine aus Methanol, das wiederum aus Erdgas gewonnen wird. Ein Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Synthese dieser Verbindung aus CO2 aus dem Rauch dieses Industriestandorts und aus Wasserstoff, der mit Hochtemperatur-Elektrolyseuren hergestellt wird, zu dekarbonisieren.

Südlich von Lyon verwaltet die GIE (Group of Economic Interests) Osiris die Versorgung der Chemieplattform Les-Roches-Roussillon, auf der Grundstoffe für viele Chemieunternehmen der Region hergestellt werden. Olefine (Ethylen, Propylen und Buten) werden vor Ort aus Methanol hergestellt, werden selbst aus Erdgas hergestellt und sind somit fossilen Ursprungs. In einem Projekt namens Catvic (Catalytic Valorization of Industrial Carbon) entwickeln CEA und das Max-Planck-Institut in Deutschland neue Technologien mit dem Ziel, Kohlenstoff aus Aktivitäten an diesen Industriestandorten zu entfernen.

Methanol wird derzeit an den Standort importiert und stammt aus Syngas, einem Synthesegas, das hauptsächlich aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) besteht. Die Forscher wollen es vor Ort aus CO2 herstellen, das aus den Dämpfen verschiedener chemischer Plattformen entsteht, und aus grünem Wasserstoff. Dieser Prozess ist bekannt und besteht in der Durchführung dieser Reaktion: CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O. „Das Max-Plank-Institut kennt sich mit dieser Technik aus, die meines Wissens nicht auf industrieller Ebene existiert, sondern nur in Form eines ansehnlichen Demonstrators, set Alban Chappaz, Forschungsingenieur bei CEA. Wir werden den Einfluss von Schadstoffen, die mit CO2 vorhanden sind, auf die Methanolsynthesereaktion untersuchen. Wir werden auch analysieren, wie kupferbasierte Metallkatalysatoren im Laufe der Zeit altern. „

Herstellung von Olefinen mit einem einzigen Katalysator

Die innovativste Forschungsachse des Catvic-Projekts besteht darin, CO2 und Wasserstoff direkt in Olefine zu vermehren. Zur Herstellung dieser Kohlenstoffverbindungen sind in der Regel zwei Schritte erforderlich: nämlich die Synthese von Methanol und anschließend seine Dehydratisierung. Sie erfordern den Einsatz von zwei Katalysatoren getrennt und unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen. Die Wissenschaftler wollen die Methanolsynthese und die anschließende Dehydratisierung in einem einzigen Schritt mit einem einzigen Katalysator in einem einzigen Reaktor und unter bevorzugten Bedingungen erreichen, um die höchstmögliche Olefinsyntheseleistung zu erzielen. „Wir werden einen Katalysator verwenden, der aus einem anderen Metall als Kupfer besteht und in der Lage ist, höheren Temperaturen standzuhalten, da die Synthesereaktion bei etwa 250 Grad und die Dehydratisierungsreaktion zwischen 400 und 500 Grad stattfindet., fügte der Forscher hinzu. Es werden mehrere saure Katalysatoren untersucht, deren Zweck darin besteht, einen bifunktionellen Katalysator mit einem Metallträger, beispielsweise auf saurem Siliciumdioxid-Aluminiumoxid oder sauren Zeolithen, zu erhalten. „

Der Vorteil der Kombination dieser beiden Stufen liegt in der Wasserwirtschaft. Bei der chemischen Reaktion entstehen gleichzeitig mit den Methanolmolekülen Wassermoleküle und die Reinigung dieses Gemisches ist ein recht aufwendiger Energieschritt. Diese beiden Moleküle sind in der Tat schwer voneinander zu trennen, da sie ziemlich ähnliche Siedetemperaturen haben.

Diese Trennung ist bei der Direktsynthese von Olefinen viel einfacher zu erreichen, da diese unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen in einem gasförmigen Zustand vorliegen, während das Wasser flüssig ist. Das zweistufige Clustering hat auch den Vorteil, die Kosten von Industrieanlagen zu senken, da es eine Verdoppelung der Anzahl der Reaktoren sowie der Anzahl der Verbindungen zwischen ihnen vermeidet.

Reduzieren Sie den Stromverbrauch des Elektrolyseurs

Um die Defosilierung der Methanol- und Olefinsynthese zu beenden, soll im Catvic-Projekt auch der für chemische Reaktionen benötigte Wasserstoff kohlenstofffrei hergestellt werden. Wissenschaftler entwickeln Hochtemperatur-Elektrolysetechnologie zwischen 700 und 800 Grad. Dadurch lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseuren höhere elektrische Wirkungsgrade erzielen, wie Lise Le Goff, Forscherin am CEA und Koordinatorin dieses Forschungsprojekts, erläutert: „Letztendlich streben wir einen Verbrauch zwischen 40 und 43 kWh pro kg produziertem Wasserstoff an, während der Niedertemperatur-Elektrolyseur rund 50 kWh verbraucht. Die ganze Schwierigkeit besteht darin, die Lebensdauer der Elektrolysezelle lange genug aufrechtzuerhalten, um die gewonnene Leistung nicht zu verlieren. „

Das Catvic-Projekt umfasst eine letzte Forschungskomponente, die aus der Durchführung einer technisch-ökonomischen Studie verschiedener technologischer Konzepte besteht, die für die reale Anwendung auf dem Standort der Lyoner Plattform entwickelt wurden. Dies beinhaltet die Schätzung ihrer Kosten, ihrer Leistung gegenüber der Umwelt sowie der Gesamteffizienz des Systems. „Dieses Forschungsprojekt startete vor zwei Jahren und endet Ende 2022. Je nach technologischem Fortschritt könnte dann die zweite Phase das Licht der Welt erblicken mit dem Ziel, eine industrielle Demonstration für die Synthese von Methanol zu schaffen.“, schließt der Forscher.

Adelmar Fabian

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