Erforschung Synthetischer Kraftstoffe kommt voran
„OME“ steht für Oxymethylenether, eine neue Art synthetischer Treibstoffe (Designer Fuels – siehe solarify.eu/alternative-kraftstoffe-synthetische-treibstoffe-desinger-fuels-e-fuels) aus CO2 und grünem Wasserstoff (Windwasserstoff), die anstelle von Diesel oder Benzin rückstandsfrei, also klimaverträglich, in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Solarify weist auf zwei (selbst übersetzte Abstracts von einschlägigen) Veröffentlichungen hin. Die Autoren kommen vom Fraunhofer ISE, vom KIT Karlsruhe und der Münchner TU.
Zapfhähne Dieselersatz OME und Solarstrom – Foto © MPI CEC
I. „Hybrider Ansatz zur Synthese von Oxymethylenethern (OME) – Designer Oxygenierte Kraftstoffe und Lösungsmittel“ von Mohamed Ouda, Christoph Hank, Robin J. White, Achim Schaadt, Harald Klein, und Hans-Martin Henning.
„Einer der anspruchsvollsten Bereiche im Hinblick auf die CO2-Emissionen ist die Mobilität, auf die ca. 23% (6,7 Gt CO2) der energiebedingten Treibhausgasemissionen entfallen. In Bezug auf die städtische Mobilität gibt es auch Bedenken in Bezug auf verbrennungsbedingte Partikel und NOx, was sich in den sich entwickelnden Rechtsvorschriften und Emissionsnormen (z.B. Euro VI) widerspiegelt. Es ist wichtig zu beachten, dass flüssige Kraftstoffe (z.B. Diesel) weiterhin eine sehr wichtige Rolle als Energieträger für bestimmte Mobilitätsarten (z.B. Lkw, Schiffe) spielen werden. Daher besteht Bedarf an alternativen Kraftstoffen mit „Designer“-Eigenschaften, die sowohl der Treibhausgas-Gesetzgebung als auch den Emissionsnormen entsprechen.
In einem ähnlichen Zusammenhang wächst auch die Sorge um Umwelt- und Gesundheitsfragen im Zusammenhang mit der Verwendung von „Volatile Organic Solvents“ (VOC) (z.B. Dichlormethan, N-methyl-2-pyrrolidon etc.). Hier fördert der Gesetzgeber den Einsatz von ‚grünen‘ Lösungsmitteln mit VOC-ähnlichen Lösungsmitteleigenschaften, jedoch mit reduzierter Umweltbelastung. Sollen synthetische oder „Designer“-Kraftstoffe oder -Lösemittel eingesetzt werden, müssen folgende Kriterien erfüllt sein:
- CO2-„Quasi“-Neutralität
- Nachhaltigkeit in Bezug auf die Versorgung
- möglichst geringe Umwelt-/ökologische Auswirkungen
- Wirtschaftlichkeit und
- Kompatibilität mit bestehenden Technologien und Anwendungen (e).g. „Drop-in“-Eigenschaften).
Vor diesem Hintergrund werden kurzkettige „Oxymethylenether“-Oligomere (hier OME; CH3O-(CH2O)n-CH3 mit n = 1 – 6) als vielversprechend angesehen. Sie sind flüssig und mit Diesel mischbar, ungefährlich für die menschliche Gesundheit/Umwelt, schwach korrosiv, haben eine hohe Cetanzahl, vielversprechende intrinsische Verbrennungseigenschaften und deutlich reduzierte NOx/PM/CO2-Emissionen. OME haben auch kettenlängenabhängige Solvatisierungseigenschaften (z.B. in CO2-Sorptionsanwendungen) und entsprechende Dampfdrücke. Am Fraunhofer ISE konzentriert sich die Forschung und Entwicklung auf die OME-Synthese auf Basis einer CH3OH-Plattform.
Diese einfachsten Alkohole stammen aus der direkten Hydrierung (z.B. H2 aus der solaren oder windbetriebenen H2O-Elektrolyse) von abgeschiedenem CO2 (z.B. aus der Stahl/Zementherstellung, Biogasanlagen oder letztlich Luft). CH3OH kann zu CH2O (Formaldehyd, FA) – einem Schlüsselbaustein der OME-Synthese – umgewandelt werden. Dies wird kommerziell durch partielle Oxidation zu einer wässrigen Lösung mit 37 – 55 Gew.-%(FA) erreicht.
Die OME-Synthese in Gegenwart von H2O im Feed ist jedoch thermodynamisch ungünstig und reduziert die Endprodukt-Ausbeute. Eine direkte OME-Synthese aus CH3OH + wasserfreiem FA bietet jedoch im Vergleich zu anderen berichteten Verfahren mehrere CAPEX- und OPEX-Einsparpotenziale. Der Ansatz des Fraunhofer ISE zur Prozessgestaltung auf Basis einer hybriden CHEMCAD®/VBA/Matlab®-Simulationsplattform ermöglicht eine Einzelparameteroptimierung der wichtigsten Syntheseeinheiten mit anschließender vollständiger Energieintegration.“
II. Hybride Beschreibung und Bewertung der Synthese von Oxymethylendimethylethern auf Basis der endothermen Dehydrierung von Methanol von Mohamed Ouda, Franz Mantei, Kai Hesterwerth, Eleonora Bargiacchi, Harald Klein und Robin J. White.
Für Oxymethylendimethylether wird ein hybrides Prozessmodell auf Basis von Methanol und dessen teilweise selektiver Umwandlung in wasserfreies Formaldehyd verwendet, das wiederum als Ausgangsmaterial für die OME-Synthese dient. Das Modell verbindet die Vorzüge der in der kommerziellen Software CHEMCAD® verfügbaren Algorithmen mit den in Matlab® implementierten selbst entwickelten Reaktormodellen und dem in Visual Basic for Applications (VBA) implementierten Kopplungsknoten. Anschließend erfolgt die Prozesswärmeintegration mit der Software PinCH 2.0.
Ergänzt wird diese Modellierung durch experimentelle Untersuchungen und Ergebnisse zur Synthese der wasserfreien FA/MeOH-Einspeisung durch einen konzipierten und entwickelten Ringgegenstromreaktor unter Verwendung von Na2CO3 als kostengünstigen und nachhaltigen Dehydrierungskatalysator.
Die Prozessmaterial- und Energiebilanz des vorgeschlagenen Prozesses wurde auch zur Bewertung der Key Performance Indicators (KPIs) herangezogen. Eine Gesamtprozessausbeute von 80,3% bei 71,7% Prozess-Energieeffizienz und Produktionskosten von 951 US$ pro Tonne OME3-5 bei geringer Produktionskapazität (35 kt pro Jahr) zeigt das technische und wirtschaftliche Potenzial des beschriebenen Verfahrens.
->Quellen: