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49,80 €ISBN 978-3-8440-9053-6Softcover212 pages86 figures314 g21 x 14,8 cmGermanThesis
May 2023
Alwin Bernhard Heupel
Experimentelle Untersuchung von strukturierten Ni-TiO2 Katalysatoren für Power-to-Methan Anwendungen
Die thermo-katalytische Methanisierung von Wasserstoff und Kohlendioxid als langfristige und großtechnische Speichermöglichkeit für erneuerbaren Strom und als Mittel zur Dekarbonisierung hat in den letzten Jahren eine gewisse technologische Reife erreicht.
Herausforderungen sind die Integration der Technologie in bestehende Produktionsnetzwerke und die Kontrolle der exothermen Reaktion bei dynamischen Betriebsbedingungen. Die Schlüsselkomponente von solchen Anlagen ist nach wie vor der Katalysator. In technisch relevanten Systemen werden kontinuierlich betriebene Festbettreaktoren mit nickelbasierten Schüttschicht-Katalysatoren eingesetzt. Diese werden aufgrund der Wärmeentwicklung oft unter reaktionskinetisch ungünstigen Bedingungen in einem schmalen Betriebsbereich betrieben. Eine vielversprechende Alternative zur Steigerung der Effizienz des Wärme- und Stofftransports bieten strukturierte Katalysatoren.
Offenzellige Schaumkeramiken mit einer hochporösen, netzartigen Struktur werden seit vielen Jahren als Katalysatorträger diskutiert und untersucht. Entscheidend für die Ausnutzung des Steigerungspotentials sind die Wechselwirkungen zwischen der Trägerstruktur und einer porösen Katalysatorschicht. Durch die gezielte Anpassung der Geometrie der Träger kann die Katalysatordichte im Reaktorvolumen optimiert und wärmetechnisch vorteilhafte Katalysatorpackungen hergestellt werden. In dieser Arbeit werden robuste Träger-Katalysator-Kombinationen auf Basis von offenzelligen Schaumkeramikträgern aus Titandioxid und Siliziumcarbid sowie mikrostrukturierten Ni-TiO2 Katalysatoren entwickelt und auf die dynamische Methanisierung im Technikumsmaßstab übertragen.
Herausforderungen sind die Integration der Technologie in bestehende Produktionsnetzwerke und die Kontrolle der exothermen Reaktion bei dynamischen Betriebsbedingungen. Die Schlüsselkomponente von solchen Anlagen ist nach wie vor der Katalysator. In technisch relevanten Systemen werden kontinuierlich betriebene Festbettreaktoren mit nickelbasierten Schüttschicht-Katalysatoren eingesetzt. Diese werden aufgrund der Wärmeentwicklung oft unter reaktionskinetisch ungünstigen Bedingungen in einem schmalen Betriebsbereich betrieben. Eine vielversprechende Alternative zur Steigerung der Effizienz des Wärme- und Stofftransports bieten strukturierte Katalysatoren.
Offenzellige Schaumkeramiken mit einer hochporösen, netzartigen Struktur werden seit vielen Jahren als Katalysatorträger diskutiert und untersucht. Entscheidend für die Ausnutzung des Steigerungspotentials sind die Wechselwirkungen zwischen der Trägerstruktur und einer porösen Katalysatorschicht. Durch die gezielte Anpassung der Geometrie der Träger kann die Katalysatordichte im Reaktorvolumen optimiert und wärmetechnisch vorteilhafte Katalysatorpackungen hergestellt werden. In dieser Arbeit werden robuste Träger-Katalysator-Kombinationen auf Basis von offenzelligen Schaumkeramikträgern aus Titandioxid und Siliziumcarbid sowie mikrostrukturierten Ni-TiO2 Katalysatoren entwickelt und auf die dynamische Methanisierung im Technikumsmaßstab übertragen.
Keywords: Power-to-X; Methanisierung; Strukturierte Katalysatoren
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