TUM School of Engineering and Design

Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik

Prof. Dr.-Ing. Harald Klein


Forschung

Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik beschäftigt sich simulativ mit der Herstellung von Wasserstoff durch unterschiedliche Wasserelektrolysetechnologien sowie durch Dampfreformierung von Biogas. Dieser Wasserstoff soll als Ausgangsstoff für die Synthese unterschiedlicher Wasserstoffderivate dienen. Den Strom-basierten Wasserstofferzeugungsprozessen und integrierten Prozessketten werden konventionelle Herstellungsverfahren basierend auf fossilen Rohstoffen wie Erdgas zur Bewertung gegenübergestellt.

Neben der Erzeugung von grünem Wasserstoff innerhalb Deutschlands und der damit einhergehenden nötigen Hochskalierung von Elektrolysetechnologien, ist der Import von Wasserstoff und dessen Derivaten nötig, um den heutigen und zukünftig steigenden Wasserstoffbedarf zu decken. Vor diesem Hintergrund wird am Lehrstuhl an der Rückgewinnung des Wasserstoffs aus Ammoniak am Zielort durch das sogenannte Ammoniak Cracking geforscht.

Website: Forschung am APT
KontaktSebastian Rehfeldt

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
KontaktSebastian Rehfeldt

Einer der wichtigsten Herausforderungen im Kampf gegen den Klimawandel ist es, die Treibhausgasemissionen im Mobilitätssektor zu reduzieren. Neben der Batterietechnologie stehen auch Wasserstoff betriebene Fahrzeuge im Fokus der Forschung und Entwicklung. Besonders für Langstrecken-Nutzfahrzeuge ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine ideale Lösung. Für diese Anwendung wird ein hoch effizienter Wasserstofftank benötigt. Die Speicherung von kryogenem komprimierten Wasserstoffgas (CcH2) ist eine vielversprechende Speichertechnologie, da sie sehr hohe Speicherdichten ermöglicht.

Für die regionale, dezentrale Produktion und Verteilung von Wasserstoff können allerdings auch Speichertechnologien mit gasförmigem Wasserstoff vorteilhaft eingesetzt werden. Hier liegt ein besonderer Fokus auf den sog. Multi-Element Gas Carrier (MEGC). MEGC sind transportable Wasserstoffspeichercontainer, in denen Wasserstoff bei erhöhtem Druck und Umgebungstemperaturen in mehreren Druckbehältern gespeichert wird.

Auch in der Luftfahrt bietet die Nutzung von grünem Wasserstoff als Antrieb für größere kommerzielle Flugzeuge erhebliches Potenzial zur Reduzierung von Emissionen. Neben der Entwicklung neuer Antriebssysteme und Flugzeugkonzepte ist der Aufbau einer entsprechenden Wasserstoff-Infrastruktur entscheidend. Die Schaffung langfristiger Perspektiven und die Definition von Transitionspfaden im Rahmen einer globalen Energiewende sind hierbei von zentraler Bedeutung. Dies erfordert eine umfassende Betrachtung der technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte der Bereitstellungskette, der sich die Forschung am Lehrstuhl widmet.

Website: Forschung am APT
Kontakt: Sebastian Rehfeld

PtX Projekte

Biogene Wasserstoffproduktion mit innovativer Verteillogistik

Das im Januar 2023 gestartete Verbundvorhaben „BioH2Log – Biogene Wasserstoffproduktion mit innovativer Verteillogistik“ unterstützt die Entwicklung von dynamischen Modellen, sog. digitalen Zwillingen, für die Produktion, Speicherung und die Verteillogistik von grünem Wasserstoff. Teilnehmende Partner sind von Industrieseite die Unternehmen Takeoff Engineering sowie Arcanum Energy und von der Technischen Universität München der Lehrstuhl für Fördertechnik, Materialfluss, Logistik sowie der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik.

Die Produktion des grünen Wasserstoffs erfolgt in diesem Projekt mittels Dampfreformierung von Biogas. Hierzu startete das Schwesterprojekt „BioH2Ref“ im Januar 2022 mit dem Ziel der Entwicklung einer Pilotanlage zur Herstellung von Wasserstoff aus Biogas. Dazu wird die entwickelte Anlage mit einer Kapazität von 100 kg Wasserstoff pro Tag am Biogashof Schleupen in Krefeld installiert und testweise betrieben.

Im Rahmen des Projekts „BioH2Log“ werden die Messdaten des Projekts „BioH2Ref“ zur Entwicklung für einen digitalen Zwillings der Wasserstoffproduktionsanlage synergetisch genutzt. Außerdem werden im Rahmen einer Messkampagne Daten zu dem Speicher- und Tanksystem des produzierten Wasserstoffes aufgenommen, welche wiederum als Grundlage für die Modellerstellung des Wasserstoffspeichersystems dienen. Des Weiteren wird ein digitaler Zwilling für eine innovative Verteillogistik des grünen Wasserstoffs entwickelt. Im Fokus steht hierbei ein Modell aus vielen dezentralen Produktionsstätten von biogenem Wasserstoff mit vielen regionalen Abnehmern, wie beispielsweise Fahrzeuge des ÖPNV.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: BioH2Log - Biogene Wasserstoffproduktion mit innovativer Verteillogistik
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Förderkennzeichen: 03EI5452B
Laufzeit: 01.01.2023 - 31.12.2025
Website: BioH2Log
Kontakt: Edwin Hirtreiter
Weiterführende Informationen: Energetische Biomassenutzung: DetailsBioH2Log - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik BIOH2LOG(youtube.com)

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

Komponenten- und Systemmodellierungen von Wasserstoffversorgungsnetzen für den Luftverkehr

Die Verwendung von grünem Wasserstoff als Antriebssystem für größere kommerziell genutzte Flugzeuge ist eine vielversprechende Alternative, um eine umweltfreundlichere Luftfahrt zu ermöglichen. Dabei ist es jedoch unerlässlich, dass Wasserstoff aus regenerativen Energien produziert wird, um einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Neben der Entwicklung neuer Antriebe und Flugzeugkonzepte stellt der Aufbau einer entsprechenden Wasserstoff-Infrastruktur eine der größten Herausforderungen dar, um wettbewerbsfähige Betriebskosten für die neuen Flugzeuge zu ermöglichen.

Im Verbundprojekt HyNEAT (Hydrogen Supply Networks‘ Evolution for Air Transport) werden Konzepte für globale Wasserstoffbereitstellungsinfrastrukturen für den Einsatz in Wasserstoff-getriebenen Flugzeugen entwickelt. Ziel dabei ist es, langfristige Perspektiven und mögliche Transitionspfade im Einklang mit einer globalen Energiewende aufzuzeigen und daraus Handlungsempfehlungen für Politik und Industrie abzuleiten. 

Um techno-ökonomische Untersuchungen und Optimierungen von Wasserstoffversorgungsnetzwerken zu ermöglichen, betrachtet der Lehrstuhl für Anlagen und Prozesstechnik die Komponenten der Wasserstoffbereitstellungsketten. Hierzu zählen unter anderem Wasserstoffverflüssigungsanlagen, Speichertanks, Kompressoren und Pumpen. Durch dynamische Komponenten- und Gesamtsystemmodelle soll so die gesamte Bereitstellungskette des Wasserstoffs von der Erzeugung bis zum Flugzeug sowohl thermodynamisch als auch techno-ökonomisch beschrieben werden. Abgeleitet aus der Komponenten- und Gesamtsystemmodellierung werden schließlich auch konkrete Geschäftsmodelle betrachtet.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: HyNEAT (Hydrogen Supply Networks‘ Evolution for Air Transport)
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 03SF0670F 
Laufzeit: 01.04.2023 - 31.03.2026
Website: HyNEAT
Kontakt: Laura Stops
Weiterführende Informationen: HyNEAT Website

Ammoniak Cracking: Ammoniak als Wasserstoffträger für den interkontinentalen Transport

Auf dem Weg zur Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft ist die Verfügbarkeit großer Mengen „grünen“ Wasserstoffs von entscheidender Bedeutung. Da die nationale Produktion an grünem Wasserstoff in Deutschland jedoch für die nationalen Dekarbonisierungsziele nicht ausreicht, setzt die Bundesregierung auf umfangreiche Importe aus Regionen mit günstigen erneuerbaren Energien. Für einen energieeffizienten Wasserstofftransport ist die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak, das eine hohe Wasserstoffdichte aufweist, sinnvoll. Die Rückgewinnung des Wasserstoffs aus Ammoniak erfolgt am Zielort über das sogenannte Ammoniak Cracking. Zum aktuellen Stand der Technik wird die Ammoniakspaltung industriell bisher nur für kleine Nischenanwendungen mit nur geringen Wasserstoffströmen (typische Größe: 1-2 t pro Tag) angewendet. Vor dem Hintergrund der nationalen Klimaschutzziele, der angestrebten Reduktion der CO2- Emissionen und der angespannten Versorgungslage mit Energierohstoffen, strebt das Forschungsprojekt HyPAC eine Transformation der deutschen Wirtschaft auf Wasserstoff-Basis an. Im Rahmen von HyPAC soll ein neues Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Ammoniak, entwickelt und erstmalig in einer Miniplant demonstriert werden. Das Vorhaben strebt einen industriellen, leicht skalierbaren und energieeffizienten Ammoniak Cracking Prozess an. Dieser soll in großen Maßstab Wasserstoff (ca. 500 t pro Tag) in hoher Reinheit und zu attraktiven Preispfaden zentral erzeugen und für große industrielle Abnehmer, wie der chemischen Industrie, Wasserstoff-Pipeline-Netze oder Gasturbinen, bereitstellen.

Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik befasst sich im Rahmen des Projektes mit der experimentellen Untersuchung der Katalysatoren und idealen Prozessbedingungen. Zudem werden Reaktor- und Prozessmodelle erstellt, um eine techno-ökonomische Untersuchung zu ermöglichen. Hierfür wird ebenso der Gesamtprozess unter Berücksichtigung der Energieintegration simuliert. Basierend auf diesen Grundlagen wird eine Lebenszyklusanalyse (LCA) angefertigt.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: HyPAC – Ammoniak als Wasserstoffträger für den interkontinentalen Transport
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Förderkennzeichen: 03EI3088B
Laufzeit: 01.07.2023 - 31.06.2026
Website: HyPAC
Kontakt: Bruno Villela Pedras Lago

Entwicklung eines Cryogas Wasserstoffspeichers für den Einsatz in Lang-strecken-Nutzfahrzeugen

Die Entwicklung und Optimierung eines kryogenen Wasserstofftank-Systems für die Anwendung in LKWs liegt im Fokus des CryoTRUCK Forschungsprojekts. Die wissenschaftliche Arbeit besteht darin entsprechende thermodynamische Modelle und Simulationsmodelle für die Kältespeicherung und den Wärmeaustausch aufzustellen. Darauf basierend werden die Prozesse des Betankens und der Kraftstoffentnahme im Betrieb dynamisch simuliert. Es sind außerdem experimentelle Untersuchungen an kalten Tanksystemen mit den Projektpartnern geplant. Die Modellierung und die experimentelle Validierung sind die Grundbausteine um das CcH2-Speichersystem erfolgreich in Kraftfahrzeuge zu integrieren.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: CryoTRUCK
Förderung: Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV)
Förderkennzeichen: 03B10411E
Laufzeit: 01.01.2022 - 31.05.2025
Website: CryoTRUCK 
Kontakt: Johannes Hamacher, Alexander StaryDaniel Siebe, Laura Stops 

Entwicklung und Demonstration zweier Technologien für die Betankung von Flugzeugen mit Flüssigwasserstoff: Direkte Betankung und Tankwechsel-Technologie

Ziel des Projekts sind die Entwicklung zweier Betankungstechnologien und deren Demonstration an Flughäfen in Mailand und Paris. Untersucht werden die direkte Betankung eines Flugzeugs mit Flüssigwasserstoff und eine Tanktausch-Technologie, bei der ein leerer Tank durch einen gefüllten Tank ausgetauscht wird. Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik arbeitet im Rahmen des Projekts ALRIGH2T in Kooperation mit Linde plc an der Entwicklung und Modellierung eines direkten Betankungssystems basierend auf einer Flüssigwasserstoffkreiselpumpe. Dabei wird eine solche Pumpe entwickelt und in einer Testanlage erprobt. Zudem wird ein dynamisches Modell für Be- und Entladungsvorgänge von Flüssigwasserstoff entwickelt und verwendet, um das Gesamtsystem zu optimieren.

Projektrahmen: EU Förderprojekt ALRIGH2T
Förderung: European Climate, Infrastructure and Environment Executive Agency (CINEA)
Förderkennzeichen: 101138105
Laufzeit: 01.01.2024 - 01.01.2028
Website: ALRIGH2T
Kontakt: Fabian Primke

Lehre

Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft und ist Ausgangsstoff zahlreicher Folgesynthesen. Den Wassersoff zu transportieren und zu speichern stellt jedoch eine Herausforderung dar. Dies kann unter anderem in flüssiger Form erfolgen, sodass die Wasserstoffverflüssigung einen heute und in zukünftig wichtigen Prozess darstellt.

Diese Veranstaltung knüpft an die Vorlesung „Grundlagen der Kälteerzeugung und Industrielle Tieftemperaturanlagen“ an. Zunächst wird die Herstellung, Nutzung und Handhabung von Wasserstoff, sowie die Wasserstoffverflüssigung im Rahmen einer Vorlesung gelehrt und diskutiert. Zudem werden Einblicke in die Projektabläufe und Projektphasen im Ingenieursbereich gegeben. Anschließend simulieren die Studierenden ausgewählte kryogene Prozesse, unter anderem einen Wasserstoffverflüssigungsprozess, mit dem Simulationsprogramm UniSim® Design. Damit lernen die Studierenden UniSim® Design zu bedienen und bauen ein vertieftes Verständnis für kryogene Verflüssigungsprozesse auf.

Modulkennung ED180008
Umfang 2 SWS, 5 ECTS
Semester Sommersemester
Unterrichtssprache Deutsch
Vorlesungsbetreuung Prof. Dr. Alexander Jurevic Alekseev 

 

Mehr Informationen: TUMonline

Publikationen

  • Fahr, S.; Schiedeck, M.; Reinke, M.; Bohn, J.-P.; Rehfeldt, S.; Peschel, A.; Klein, H.: Simultaneous design and part-load optimization of an industrial ammonia synthesis reactor. Chemical Engineering Journal 480, 2024, 148302 mehr…
  • Hamacher, J.; Stary, A.; Stops, L.; Siebe, D.; Kapp, M.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Modeling the thermodynamic behavior of cryo-compressed hydrogen tanks for trucks. Cryogenics 135, 2023, 103743 mehr…
  • Fahr, S.; Schiedeck, M.; Reinke, M.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Ammoniakanlagen für den flexiblen Betrieb – Design und Betriebsstrategien. Jahrestreffen "Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik", 2023 mehr…
  • Engel, F. K.; Ulmer, S.; Slaby, O.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Conceptual Design of a Multi-Physics Digital Twin for Dynamic Real-Time Simulation of a PEM Electrolysis Plant. AIChE Annual Meeting, 2023 mehr…
  • Hemauer, J.; Rehfeldt, S.; Klein, H.; Peschel, A.: Performance and cost modelling taking into account the uncertainties and sensitivities of current and next-generation PEM water electrolysis technology. International Journal of Hydrogen Energy 48 (66), 2023 mehr…
  • Fahr, S.; Schiedeck, M.; Schwarzhuber, J.; Rehfeldt, S.; Peschel, A.; Klein, H.: Design and thermodynamic analysis of a large-scale ammonia reactor for increased load flexibility. Chemical Engineering Journal 471, 2023, 144612 mehr…
  • Hamacher, J.; Stary, A.; Stops, L.; Siebe, D.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Novel Thermodynamic Model for Cryo-Compressed-Hydrogen Tanks. 17th CRYOGENICS 2023 IIR International Conference, 2023 mehr…
  • Hamacher, J.; Stary, A.; Stops, L.; Siebe, D.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Novel Thermodynamic Model for Cryo-Compressed-Hydrogen Tanks. Proceedings of the 17th CRYOGENICS 2023 IIR International Conference, 2023 mehr…
  • Hemauer, J.; Della Bella, R.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Leistungs- und Kostenvergleich der alkalischen und der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse. Jahrestreffen der Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 2022 mehr…
  • Hemauer, J.; Meier, C.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Vergleich verschiedener Prozesse zur Synthesegas-Herstellung im Hinblick auf deren Nachhaltigkeit und Weiterverarbeitung am Beispiel von Methanol. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 2021 mehr…

Kontakt

Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik
Prof. Dr.-Ing. Harald Klein

Ansprechpartnerin

Johanna Hemauer

Tel.: +49 89 289 16564

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