Hochaufgelöste, berührungslose Bestimmung von Temperatur- und Speziesverteilungen bei der Methanisierung innerhalb offenzelliger, katalytischer Schaumkeramiken (CARS4KAT)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Seeger, seit 10/2023
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493648518

Eine potentielle Möglichkeit hin zu einer bezahlbaren Energieversorgung sind Power-to-X Verfahren, die eine Säule der nationalen Wasserstoffstrategie (Juni 2020) bilden. Dabei ist die katalytische Erzeugung von CH4 aus regenerativem H2 und punktuell abgeschiedenem CO2 zum einen die Basis für die großtechnische Speicherung von Power-to-X und zum anderen Teil der Sektorkopplung. In technisch relevanten Systemen zur Methanisierung werden heute meist Festbettreaktoren mit nickelbasierten Schüttschicht-Katalysatoren eingesetzt. Aufgrund der starken Exothermie der Reaktion und des dynamischen Betriebs aufgrund der Volatilität der H2-Bereitstellung, werden diese oft unter reaktionskinetisch ungünstigen Bedingungen betrieben oder nutzen Zusatzsysteme zur Wärmeabführung auf. Eine vielversprechende Alternative zur Steigerung der Effizienz des Wärme- und Stofftransports bieten Katalysatorträger aus offenzelligen Schaumkeramiken mit einer hochporösen, netzartigen Struktur. In Kombination mit neuartigen, nanostrukturierten und robusten Beschichtungen können Verbesserungen zu bestehenden Katalysatoren erzielt werden. Jedoch fehlt oft das Grundverständnis der lokal ablaufenden Reaktions- und Wärme- bzw. Stofftransportmechanismen. Um diese Mechanismen aufzuklären, eignen sich besonders nicht-invasive Aufnahmen von räumlich-zeitlich hochaufgelösten Temperatur- und Speziesverteilungen, die zur Validierung von theoretischen Modellen und zur Optimierung von Katalysatoren oder Betriebsbedingungen benötigt werden, jedoch noch nicht in ausreichende Maße entwickelt sind. Daher wird in diesem Projekt die kohärente anti-Stokes Raman Spektroskopie angepasst und erheblich erweitert, um so lokale Temperatur- und Multispeziesverteilungen (relevant: H2, CO2, CH4, CO, H2O, N2) erstmals berührungslos innerhalb einer katalytischen Schaumkeramik simultan unter dynamischen Bedingungen messen zu können. Start und Abschaltvorgänge sind dabei von besonderem Interesse. Untersuchungs- und Optimierungsgegenstand sind eigens entwickelte Methanisierungs-Katalysatoren mit nanostrukturierten Nickelbeschichtungen auf offenzelligen Schaumkeramikträgern aus Titandioxid, die ein Potential zur großtechnischen Nutzung in Power-to-X Verfahren besitzen. Dazu sind Analysen hinsichtlich Hot-Spots in der Makrostruktur des Katalysators, Ausbildung von charakteristischen Wärmeprofilen, Bestimmung von lokalen Kenngrößen wie CO2-Umsatz und CH4- Selektivität, Rückvermischungszonen und Stofftransportlimitierungen notwendig, die auf Basis der lokalen Messdaten im Projekt erfolgen. Andere Systeme innerhalb des SPP2080 können auch analysiert werden. Zusätzlich können die lokalen Größen genutzt werden, um bekannte Modelle zum Wärme-/Stofftransport oder auch kinetische Modelle zu verbessern (Prof. Sundmacher). Die synergetische Nutzung der Kompetenzen der Projektparter im Bereich der laserbasierten Messtechnik (TTS) bzw. Entwicklung von Katalysatorsystemen (LEUVT) ist dafür die entscheidende Grundlage.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Krumm, bis 9/2023