Halbtechnische Versuchsanlage zur Methanolsynthese

Die fortschreitende Defossilisierung energieintensiver Sektoren zur Erreichung der Klimaneutralität bewirkt einen rapide ansteigenden Bedarf an regenerativen Substituenten für chemische Grundchemikalien und Kraftstoffe. Die Verwertung von Biomasse stellt eine Schlüsselposition in der (dezentralen) Bereitstellung der dafür notwendigen biogenen Ressourcen dar. Das FiW untersucht vor diesem Hintergrund die Entwicklung geeigneter CO₂-abscheidender Membranprozesse und thermochemischer Verfahren zur Verwertung von Biogas als biogenen Kohlenstoffquelle in regenerative Brenn- und Einsatzstoffe. Bereits seit 2012 wird vom FiW in mehreren, teilweise konsekutiven Forschungsprojekten die direkte Nutzung und Umsetzung von Biogas über verschiedene Syntheseprozesse anwendungsnah vorangetrieben. In dem aktuell vom BMWE geförderten Forschungsprojekt B2M Raman wird ein Verfahren in Pilotmaßstab weiterentwickelt, welches die effiziente Nutzung von Biogas für die Synthese von Methanol ermöglicht. Methanol ist ein versatiles Schlüsselmolekül für die Defossilisierung, da dieses als alternativer Kraftstoff, Energiespeichermolekül und Grundchemikalie für die Chemieindustrie eingesetzt werden kann. 

Zwischen 2020 und 2023 wurden bereits zahlreiche Optimierungen am ursprünglich entwickelten Verfahren des FiW vorgenommen, die nun eine kosteneffiziente Synthese von Methanol aus Bio- und Klärgas erlauben. Das Projekt B2M Raman setzt somit die Überführung vom Labormaßstab in den Pilotmaßstab der ursprünglichen Methanolsyntheseanlage erfolgreich fort. B2M Raman fokussiert die Verfahrensoptimierung im statischen und dynamischen Betrieb sowie die Online-Analytik zur aktiven Prozessführung über Raman-Spektroskopie. Zusätzlich wird mit erhöhtem Prozessdruck gearbeitet, um den Umsatz des Prozesses weiter zu steigern und eine für Anlagenbetreiber wirtschaftliche, dezentrale Anlagen-Gesamtlösung bereitzustellen. In Zusammenarbeit mit dem OWI Science for Fuels gGmbH wird die bereits in den vorhergehend beschriebenen Projekten entwickelte autotherme Reformierung weiter optimiert. Dazu wird ein Rezyklier-Gasstrom, bestehend aus unreagiertem Synthesegas, hinter der Reaktorstufe entnommen und in den Prozess rückgeführt. Diese Rezyklierung reduziert den Verlust an Kohlenstoff erheblich und maximiert die Kohlenstoffeffizient des entstehenden Reaktionskreislaufs. 

Neben der betrieblichen Optimierung der Syntheseparameter für die Methanolsynthese wird in B2M Raman zusätzlich ein neuartiger Methanolkatalysator getestet, der eine Steigerung des CO₂-Umsatzes zu Methanol ermöglicht. Die Systemintegration von Wasserstoff zur Synthesegasrückführung bietet weiterhin optimale Synergieeffekte mit der Sauerstoffnutzung in der autothermen Biogasreformierung. Hierdurch kann die effiziente Einbindung eines Elektrolyseurs in das Verfahren dargestellt werden. Damit bietet das Verfahrenskonzept auch die Möglichkeit als Stromsenke zu fungieren und damit die Kopplung weiterer Sektoren zueinander darzustellen. 

Das Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V. (IUTA) bearbeitet im Rahmen des Projekts die Echtzeit-Prozessgasanalytik mit Hilfe von Raman-Sonden. Durch die Auswertung der Edukt- und Produktgaszusammensetzung wird eine dynamische Prozesssteuerung an fluktuierende Strom- und Wasserstoffpreise ermöglicht. Ein Projektziel ist es, über diese transienten Betriebszustände wirtschaftliche Erzeugungsbedingungen zu generieren.

Insgesamt konnte so ein Entwicklungsstand des Gesamtverfahrens erreicht werden, der den Transfer des Konzeptes auf den industriellen Produktionsmaßstab erlaubt. Damit bietet das Verfahrenskonzept die Möglichkeit, von Methanol abhängige Wertschöpfungsketten durch die dezentrale Versorgung mit Biomethanol teilweise zu defossilisieren. Weiterhin bietet das Verfahren einen für den Biogassektor ergänzende Wertschöpfungskette: Während derzeit viele Biogasanlagenbetreiber auf die Verstromung des biologischen Wertstoffes setzen, kann die Synthese von regenerativen Plattformchemikalien eine wichtige ergänzende Option zur komplexen EEG-Ausschreibung sein. Das Verfahren kann damit von industriellen Betreibern betriebseigener Biogas-Anlagen genutzt werden, stellt aber auch eine Option für Stand-Alone Betreiber von Biogasanlagen sowie für Anlagenbetreiber aus der Land- und Wasserwirtschaft dar.