Konversion
Stoffliche Umwandlung von Wasserstoff und CO2/CO in höhere Energieträger
Forschung an Syntheseprozessen für die vollständige Power-to-X Ketten: Methanisierung, Herstellung von Methanol und weiterer synthetischer Kraftstoffe und Grundchemikalien.
Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik (APT)
Simulation und Optimierung verschiedener Anlagenoptionen zur integrierten Erzeugung von unterschiedlichen Downstream-Produkten aus nachhaltigem Synthesegas
Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik beschäftigt sich neben der Bereitstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse oder Dampfreformierung von Biogas auch mit dessen Umsetzung zu unterschiedlichen Wasserstoffderivaten. Der Fokus liegt dabei speziell auf dem Ammoniak- und Methanolprozess sowie der Gesamtprozesskette aus Elektrolyse und Folgeprozess. Beispielsweise werden Design und Betriebsstrategien zum flexiblen Betrieb von Ammoniakanlagen entwickelt. Daneben werden stoffliche und energetische Integrationspotentiale der Gesamtprozesskette bei der Herstellung von E-Methanol identifiziert und bewertet. Um verschiedene Betriebsstrategien und die Flexibilität eines E-Methanolprozesses zu untersuchen, wird am Lehrstuhl am Digitaler Zwilling einer Methanolanlage im Containermaßstab gearbeitet.
Website: Forschung am APT
Kontakt: Sebastian Rehfeldt
Serienproduktion und Industrialisierung von integrierten & sektorgekoppelten Elektrolysesystemen für Wasser
Der Markthochlauf von Wasserstoff, seinen Derivaten und Wasserstoffanwendungstechnologien soll laut der Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie weiter beschleunigt werden. Damit einher geht das ambitionierte Ziel der Installation von mindestens 10 Gigawatt Elektrolysekapazität bis 2030 in Deutschland zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Die dafür notwendige Hochskalierung der Elektrolysetechnologie stellt eine große Herausforderung dar, welcher sich die Partner im Leitprojekt H2Giga annehmen. Durch die Massenproduktion von Elektrolysestacks und das Erreichen höherer Anlagenkapazitäten von Elektrolyseanlagen erhofft man sich Investitionskosten verringern zu können, die sich vor allem bei reduzierten Betriebsstunden im dynamischen Betrieb stark auf die Wasserstoffgestehungskosten auswirken und die Wirtschaftlichkeit gegenüber konventionellen Prozessen senken. Durch die geringeren Investitionskosten sollen zudem neue Märkte erschlossen werden und der Wasserstoff in weiteren Sektoren Einzug finden.
Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik untersucht die stoffliche und thermische Prozessintegration von mit Elektrolyseprozessen erzeugtem grünen Wasserstoff in chemische Produktionsprozesse wie Ammoniak und Methanol. Hierbei wird die Flexibilisierung von Ammoniakanlagen fokussiert betrachtet, um einen zunehmend dynamischen Betrieb zu ermöglichen. Schließlich sollen Integrationsmöglichkeiten und Designparameter für Elektrolyseure identifiziert werden, um einen Anforderungskatalog für die optimale Integration verschiedener Downstream-Prozesse mit der Wasserelektrolyse zu erarbeiten. Außerdem werden Möglichkeiten der additiven Fertigung in der Peripherie von Elektrolyseanlagen untersucht.
Um die theoretischen Modelle der PEM-Elektrolyse zu verbessern, werden kontinuierlich neue Erkenntnisse aus der Literatur herangezogen. Die Datensätze in der Literatur sind jedoch meist unvollständig oder weichen stark voneinander ab. Um diese Abweichungen zu verstehen und experimentelle Ergebnisse auf Stack- statt Zelleebene zu erhalten, wird im Projekt ein 10 kW PEM-Elektrolyseteststand aufgebaut. Fokus des Teststands ist die Untersuchung des unterwünschten Gasübergangs der Produktgase durch die Membran bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Projektrahmen: Verbundvorhaben H2Giga-SINEWAVE: Serienproduktion und Industrialisierung von integrierten & sektorgekoppelten Elektrolysesystemen für Wasser
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 03HY123F
Laufzeit: 01.06.2021- 31.03.2025
Website: H2Giga - SINEWAVE
Kontakt: Steffen Fahr, Michael Stadler, Johanna Hemauer
Weiterführende Informationen: Wasserstoff Leitprojekt H2Giga
Entwicklung eines Power-to-Methanol-Prozesses
Damit wichtige Chemiestandorte in Deutschland wie Burghausen/ChemDelta Bavaria in Zukunft klimaneutral werden und dabei wirtschaftlich tragfähig bleiben, sind standortspezifische Lösungen notwendig. Im H2-Reallabor Projekt werden Containerkonzepte, sogenannte Reallabore, entwickelt, um mögliche Lösungen zu untersuchen und deren technische Reifelevel zu erhöhen. Die Containerlösungen können dabei standortunabhängig aufgebaut und vermessen werden und anschließend nach Erprobung unter realen Bedingungen im industriellen Umfeld getestet werden.
In einem der Container wird die direkte Umsetzung von Elektrolysewasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methanol (Power-to-Methanol) untersucht. Das Kohlenstoffdioxid wird dafür in einem weiteren Container abgeschieden (Carbon-Capture), was im industriellen Umfeld aus dem Rauchgas einer Rückstandsverbrennung erfolgen soll. Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik beschäftigt sich im Rahmen des Projekts mit der Entwicklung und Skalierung eines digitalen Zwillings der Power-to-Methanol-Anlage. Daneben werden verschiedene Möglichkeiten zur stofflichen und energetischen Systemintegration von PEM-Elektrolyseuren zur Wasserstoffherstellung und der Methanolsynthese bewertet und daraus Anforderungen an PEM-Elektrolyseure zur optimalen Integration abgeleitet. Im vorausgehenden Carbon-Capture-Container untersucht der Lehrstuhl zudem die Auswahl und Auslegung der Absorber- und Desorberkolonnen eines Aminwäscheprozesses.
Projektrahmen: Verbundvorhaben: H2 Reallabor Burghausen – ChemDelta Bavaria
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 03SF0705B
Laufzeit: 01.04.2023 - 31.03.2027
Website: H2-Reallabor - Reallabor Burghausen
Kontakt: Felicitas Engel
Weiterführende Informationen: TUM Kooperationsprojekt
Lehrstuhl für Energiesysteme (LES)
Katalytische Methanisierung und Hochtemperatur-Festoxidbrenstoffzellen (SOFC)
Der Schwerpunkt der Forschung im Bereich Konversion am LES ist zweigeteilt:
Zum einen werden Hochtemperatur-Festoxidzellensysteme entwickelt und untersucht. Forschungsschwerpunkt liegt auf dem reversiblen Betrieb (Brennstoffzelle und Elektrolyse) mit kohlenstoffhaltigen Gasen (Biogas, Synthesegas, etc.), um die Stärken des Systems für einen effizienten und systemdienlichen Einsatz im Energiesystem ausspielen zu können.
Zum anderen wird die Synthese von Methan erforscht. Dafür werden verschiedene Reaktorkonzepte für unterschiedliche Prozesskonfigurationen (CO2-PtX, Biomassevergasung mit Stromeinbindung, neuartige Biogaskonversion) untersucht und optimiert. Die Arbeiten finden sowohl simulativ als auch experimentell statt.
Website: Forschung am LES
Kontakt: Florian Kerscher, Sebastian Fendt
Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft (SWW)
Methanisierung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid
Das SWW forscht an der mikrobiologischen Methanisierung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid im Rieselbett unter thermophilen Bedingungen. Als Endprodukt soll CH4 mit möglichst großer Reinheit stehen.
Ziel ist die Entwicklung eines einfachen und robusten Systems zum dezentralen Betrieb z.B. auf Kläranlagen, um deren vorhandene Infrastruktur (Gasspeicher, BHKW, etc.) auch für die Energiespeicherung zu nutzen. Die Animpfung des gasdichten, aber drucklosen Systems erfolgt mit Gärrest aus dem Faulbehälter von Klär- oder Biogasanlagen.
Website: Forschung am SWW
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Konrad Koch
Mikrobiologische Methanisierung – Übergang in die kommerzielle Anwendung
Im Rahmen des Projektes wollen wir gemeinsam mit verschiedenen Firmen aus der Praxis die biologische Methanisierung in die kommerzielle Anwendung bringen. Dazu sind vielfältige Versuche sowohl im Labormaßstab bei uns am Lehrstuhl als auch auf der auf der Kläranlage Garching installierten Pilotanlage geplant. Eine wichtige Änderung zum Vorgängerprojekt DemoMeth ist die geplante Installation eines Elektrolyseurs auf der Kläranlage. Dadurch wollen wir der praktischen Anwendung noch näherkommen und auch Erfahrungen im Zusammenspiel von Elektrolyseur und Methanisierungssystem sammeln. Auch wollen wir untersuchen, welche möglichen Synergien sich bezüglich der Koppelprodukte Prozesswärme und Sauerstoff auf der Kläranlage ergeben, wodurch die Investitions- und Betriebskosten des Elektrolyseurs ein wenig abgepuffert werden könnten.
Darüber hinaus planen wir u.a. weiterführende Versuche zur membranbasierten Abscheidung des metabolisch produzierten Wassers aus der Rieselflüssigkeit. Erste Vorversuche im Labormaßstab lieferten vielversprechende Ergebnisse, dass dies mit einer Kombination aus Nanofiltration und Umkehrosmose möglich sein sollte. Inwiefern dies auch wirtschaftlich darstellbar ist, muss noch genauer untersucht werden.
Abgeschlossene Vorgängerprojekte:
MikMeth Bedarfsgerechte Energiebereitstellung durch Mikrobiologische Methanisierung
OptiMeth Optimierung der mikrobiologischen Methanisierung
DemoMeth Demonstration der mikrobiologischen Methanisierung im Pilotmaßstab
Projektrahmen: Verbundvorhaben
Förderung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StmWi)
Förderkennzeichen: StMWi-93-9302b/39/5
Laufzeit: 01.01.2024 - 31.12.2026
Website: Energieeffiziente Abwasserbehandlung - Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Konrad Koch
Lehrstuhl I für Technische Chemie (TC1)
Strukturelle und kinetische Charakterisierung von Katalysatoren für die Hydrierung von Kohlenstoffoxiden
Die Forschung am Lehrstuhl I für Technische Chemie im Bereich PtX fokussiert sich auf die strukturelle und kinetische Charakterisierung von Katalysatoren für die Hydrierung von Kohlenstoffoxiden. Um die Hydrierkatalysatoren hinsichtlich ihrer katalytischen Eigenschaften verstehen und verbessern zu können, ist umfassende Grundlagenforschung zu Struktur-Aktivitätsbeziehungen notwendig.
Die Hydrierreaktionen in den PtX-Prozessen zeichnen sich im Allgemeinen durch ihre hohe Wärmetönung aus. Sowohl die kinetische Beschreibung der Produktbildungsraten sowie, darauf aufbauend, anwendungsbezogene Studien hinsichtlich der Reaktormodellierung nehmen daher besondere Stellungen ein.
COx-Ströme sind zudem oft mit Spuren von Schwefel verunreinigt, weswegen der Beschreibung von Desaktivierungsvorgängen, hervorgerufen Vergiftungsphänome oder auch durch Sintervorgänge aufgrund der hohen thermischen Beanspruchung, besondere Bedeutung zukommt.
Am Lehrstuhl I für Technische Chemie verfolgen wir den Ansatz, interessante Katalysatorsysteme mittels statischer und transienter Analysemethoden in verschiedenen Zuständen zu charakterisieren und so Zusammenhänge zwischen etwaigen strukturellen und morphologischen Veränderungen des Katalysators unter Reaktionsbedingungen und der intrinsischen Aktivität herzustellen und so, aufbauend auf diesen Erkenntnissen, bestehende Katalysatoren zu verbessern. Eine vorrangige Stellung nehmen hierbei unterschiedliche Katalysatorpräparationsmethoden sowie der Einsatz von Promotoren ein.
Unerlässlich für die Auslegung von chemischen Reaktoren ist die Kenntnis der Reaktionskinetik, um Stoff- und Wärmeerzeugungsraten voraussagen zu können. Hierfür stehen kinetische Teststände zur Verfügung, um Messungen frei von Wärme- und Stofftransportlimitierungen durchführen zu können. Die kinetischen Beschreibung erfolgt durch Parameterschätzung mechanistischer Ansätze unter Zuhilfenahme von Simulationssoftware.
Website: Forschung am TC1
Kontakt: Tabea Gros
Werner Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie (WSSB)
Biokatalytische Konversion von CO2 und biogenem H2 in Bio-Kraftstoffe und nachhaltige Grundchemikalien
Die Implementierung von elektrochemischen Power-to-X (PtX) Verfahren wird als ein essentieller Schritt zur Dekarbonisierung des Mobilitäts- und Chemiesektors angesehen. Diese Technologien sind jedoch nur bei Verfügbarkeit von nachhaltigem Wind- und Solarstrom mindestens CO2-neutral oder sogar verbrauchend. Während der sogenannten „Dunkelflaute“ in der weder Wind weht, noch die Sonne scheint, müssen hingegen PtX Prozesse zu 81% mit Strom gewonnen aus fossilen Energieträgern oder Kernenergie operieren bzw. ihren Betrieb einstellen.
Der Werner Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie (WSSB) erarbeitet daher neue Anlagenkonzepte die durch synergistische Integration von biotechnologischen Verfahren einen kontinuierlichen Betrieb von PtX Prozessen ermöglichen. In diesem Kontext hatte WSSB erste Erfolge mit der Algen-vermittelten Umwandlung von CO2 und biogenem H2 in energiereiche Flugkraftstoffe. Hier bestehen langjährige Kooperationen mit dem Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (Prof. Dr.-Ing. Weuster-Botz). Diese Technologie soll in Zukunft durch synergistische Verfahren wie Syngas Fermentation ergänzt werden. Letzteres Verfahren wandelt CO2 und „grünen“ Wasserstoff biotechnologisch in niedermolekulare Stoffe (z.B. Ethanol, Essigsäure) um, die sich jedoch nicht für moderne, energiereiche Kraftstofflösungen eignen. Es bedarf daher einer Veredelung von Syngasprodukten in einem weiteren biokatalytischen Schritt, wie der von WSSB erarbeiteten Konversion von Essigsäure in Hefeöl, zur anschließenden Synthese von Biodiesel.
In diesem Feld ist WSSB global sichtbar und nutzt Synergien mit den Lehrstühlen Technische Chemie I (Prof. Dr.-Ing. Hinrichsen) und II (Prof. Dr. Lercher) bzw. der Bioverfahrenstechnik. Um zukünftig diesen Veredlungsschritt zu umgehen, befasst sich WSSB mit der Identifikation neuer, extremophiler Zellfabriken, die Syngas direkt in hochenergetische Produkte umwandeln.
Website: Forschung am WSSB
Kontakt: Prof. Dr. Thomas Brück
Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft (SWW)
Mikrobiologische Methanisierung von H2/CO2 im Rieselbett-Reaktor
Das SWW forscht an der mikrobiologischen Methanisierung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid im Rieselbett unter thermophilen Bedingungen. Als Endprodukt soll CH4 mit möglichst großer Reinheit stehen.
Ziel ist die Entwicklung eines einfachen und robusten Systems zum dezentralen Betrieb z.B. auf Kläranlagen, um deren vorhandene Infrastruktur (Gasspeicher, BHKW, etc.) auch für die Energiespeicherung zu nutzen. Die Animpfung des gasdichten, aber drucklosen Systems erfolgt mit Gärrest aus dem Faulbehälter von Klär- oder Biogasanlagen.
Website: Forschung am SWW
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Konrad Koch
Mikrobiologische Methanisierung – Übergang in die kommerzielle Anwendung
Im Rahmen des Projektes wollen wir gemeinsam mit verschiedenen Firmen aus der Praxis die biologische Methanisierung in die kommerzielle Anwendung bringen. Dazu sind vielfältige Versuche sowohl im Labormaßstab bei uns am Lehrstuhl als auch auf der auf der Kläranlage Garching installierten Pilotanlage geplant. Eine wichtige Änderung zum Vorgängerprojekt DemoMeth ist die geplante Installation eines Elektrolyseurs auf der Kläranlage. Dadurch wollen wir der praktischen Anwendung noch näherkommen und auch Erfahrungen im Zusammenspiel von Elektrolyseur und Methanisierungssystem sammeln. Auch wollen wir untersuchen, welche möglichen Synergien sich bezüglich der Koppelprodukte Prozesswärme und Sauerstoff auf der Kläranlage ergeben, wodurch die Investitions- und Betriebskosten des Elektrolyseurs ein wenig abgepuffert werden könnten.
Darüber hinaus planen wir u.a. weiterführende Versuche zur membranbasierten Abscheidung des metabolisch produzierten Wassers aus der Rieselflüssigkeit. Erste Vorversuche im Labormaßstab lieferten vielversprechende Ergebnisse, dass dies mit einer Kombination aus Nanofiltration und Umkehrosmose möglich sein sollte. Inwiefern dies auch wirtschaftlich darstellbar ist, muss noch genauer untersucht werden.
Abgeschlossene Vorgängerprojekte:
MikMeth Bedarfsgerechte Energiebereitstellung durch Mikrobiologische Methanisierung
OptiMeth Optimierung der mikrobiologischen Methanisierung
DemoMeth Demonstration der mikrobiologischen Methanisierung im Pilotmaßstab
Projektrahmen: Verbundvorhaben
Förderung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StmWi)
Förderkennzeichen: StMWi-93-9302b/39/5
Laufzeit: 01.01.2024 - 31.12.2026
Website: Energieeffiziente Abwasserbehandlung - Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Konrad Koch