Suchen

Power-to-X Katalysatoren bei der Arbeit: KIT untersucht Vorgänge bei Power-to-X-Prozessen

Redakteur: MA Alexander Stark

Power-to-X-Prozesse gilt als eine Schlüsseltechnologie um Strom aus erneuerbaren Quellen speichern zu können. Die sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) spielt dabei eine wichtige Rolle. Allerdings ist FTS wissenschaftlich noch nicht vollständig verstanden. Forscher am KIT versuchen dies nun zu ändern.

Firmen zum Thema

Mit einem Synchrotron schauen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT einem Power-to-X-Katalysator bei der Arbeit zu.
Mit einem Synchrotron schauen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT einem Power-to-X-Katalysator bei der Arbeit zu.
(Bild: KIT/ Tiziana Carambia)

Karlsruhe – Auf dem Weg in die CO2-neutrale Gesellschaft unterstützen Power-to-X-Prozesse (P2X), also Verfahren zur Umwandlung von erneuerbarer Energie in chemische Energieträger, bei der Verzahnung unterschiedlicher Sektoren. Aus Wind- oder Sonnenstrom können etwa synthetische Kraftstoffe hergestellt werden, die klimafreundliche Mobilität und Gütertransporte ohne zusätzliche Treibhausgasemissionen ermöglichen. Die dafür unter anderem notwendige Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), bei der aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff die langkettigen Kohlenwasserstoffe für die Produktion von Benzin oder Diesel gewonnen werden, ist ein etabliertes Verfahren der chemischen Industrie. Allerdings sind die dabei ablaufenden Prozesse auch über hundert Jahre nach ihrer Entdeckung wissenschaftlich nicht vollständig verstanden. Das betrifft vor allem die strukturellen Veränderungen der für den Prozess notwendigen Katalysatoren unter industriellen Bedingungen.

Wie Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT erklärt, können sich während der Reaktion unerwünschte Nebenprodukte bilden oder es kann zu störenden strukturellen Änderungen des Katalysators kommen. In welcher Form das während der Reaktion genau geschehe und welche Auswirkungen das auf den Gesamtprozess hat, sei bislang nicht ausreichend erklärt worden.

In einem transdisziplinären Projekt, gemeinsam mit P2X-Expertinnen und Experten aus dem Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) und dem Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT, ist dem Team nun ein Durchbruch beim Verständnis der FTS auf atomarer Ebene gelungen. Bei der Untersuchung nutzen die Forscher Methoden der Synchrotronforschung, nämlich die Röntgenabsorptionsspektroskopie und die Röntgenbeugung. Damit konnten die Wissenschaftler erstmals einem FTS-Katalysator quasi auf atomarer Ebene unter realen Prozessbedingungen bei der Arbeit zusehen.

Zwar wurden katalytische Reaktionen bereits zuvor mit einem Synchrotron – einem speziellen Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung von besonders intensiver Röntgenstrahlung untersucht. Aber Reaktionen, die wie im Realbetrieb einer P2X-Anlage über einen längeren Zeitraum sowie unter hohen Temperaturen und Drücken stattfinden, stellten bislang eine Hürde dar. Für das Experiment am KIT wurde nun eine neuartige Hochdruck-Infrastruktur an der für Katalysatorstudien designierten CAT-ACT-Messlinie (CATalysis und ACTinide Messlinie) am Synchrotron des KIT aufgebaut. Mit dieser Infrastruktur, die als Teil der Kopernikus-Projekte der Bundesregierung zur Energiewende entstanden ist, konnte die Arbeitsweise eines kommerziellen Kobalt-Nickel-Katalysators bei realitätsnahen Reaktionsbedingungen von 250 °C bei 30 bar Druck für mehr als 300 Stunden bei der FTS bestimmt werden. Dabei wurden, ebenfalls zum ersten Mal bei einem solchen Experiment, genügend Kohlenwasserstoffe produziert, um diese anschließend zu analysieren.

Buchtipp „Heat Transfer Technique“

Das etablierte Standardwerk „Heat Transfer Technique“ vermittelt nicht nur ausführlich die Grundlagen der Wärmeträgertechnik, sondern stellt auch aktuelle Technologien und Verfahren, Vorschriften und Standards vor. Thematisch wird das Buch durch eine umfangreiche Stoffdatensammlung sowie durch eine Vielzahl an Anwendungsberichten aus der Praxis abgerundet.

Katalysatorentwicklung mit dem Computer

Mit dem Experiment konnten Kohlenwasserstoffablagerungen identifiziert werden, die eine Diffusion der reaktiven Gase zu den aktiven Katalysatorpartikeln erschweren. Im nächsten Schritt soll dieses Wissen dazu verwendet werden, den Katalysator speziell gegen diese Deaktivierungsmechanismen zu schützen. „Das geschieht etwa durch die Modifikation mit Promotoren, also Stoffen, welche die Eigenschaften des Katalysators verbessern“, sagt Grunwaldt . Perspektivisch soll das neuartige atomare Verständnis von katalytischen Reaktionen auch Computersimulationen zur schnellen, ressourcenschonenden und kostengünstigen Entwicklung von maßgeschneiderten Katalysatoren für P2X-Prozesse ermöglichen.

Originalpublikation: Loewert, M., Serrer, M.-A., Carambia, T., Stehle, M., Zimina, A., Kalz, K. F., Lichtenberg, H., Saraçi, E., Pfeifer, P., & Grunwaldt, J.-D. (2020). Bridging the gap between industry and synchrotron: an operando study at 30 bar over 300 h during Fischer–Tropsch synthesis. Reaction Chemistry & Engineering, 5(6), 1071–1082. https://doi.org/10.1039/c9re00493a

(ID:46684598)