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WIR! - rECOmine - TERZINN II, TP4: Entwicklung und Fertigung von Anlagen zur Wasserbehandlung für Fällungs-/Sorptionsverfahren und elektrochemische Membranverfahren

Skalierbare Hydrocarbon-CCMs für next-generation Technologien: Heavy-Duty-Brennstoffzellen bei 105°C und Iridium-freie Alkalische Elektrolyse mit Membran, 105Scaled: Skalierbare Hydrocarbon-CCMs für next-generation Technologien: Heavy-Duty-Brennstoffzellen bei 105°C und Iridium-freie Alkalische Elektrolyse mit Membran

Entwicklung und Erprobung von funktionalen Komponenten und einer Prozesskette zur klimaneutralen Herstellung von Soda und Natron als Senke für erzeugtes CO2, Teilvorhaben: Entwicklung von Membranprozessen für CO2-Abtrennung/Reinigung zur Herstellung von Soda/Natron

Die Gesamtzielstellung des Projektes besteht darin, entscheidende Prozessschritte für eine alternative auf Membrantrennprozessen basierende Produktionsroute für Soda und Natron zu entwickeln und zu erproben. Zentral sind dabei die Abtrennung und Reinigung von CO2 aus Biogas bzw. aus (biogenen) Verbrennungsgasen, die Entwicklung von elektrochemischen Membranverfahren und von Adsorptionseinheiten für die Überführung von Salzsole (NaCl) in Soda-/Natronlösung mittels Salzspaltung/Metathese und die Untersuchung des Einsatzes geothermischer Energie für die weiterhin notwendigen thermische Prozessschritte zur perspektivischen Substitution von Erdgas im Zuge der Produktreinigung und -konfektionierung, siehe Verfahrensfließbild. Prozesse zur Herstellung von Basischemikalien in der chemischen Industrie zählen zu den Großemittenten von CO2. Da diese Produkte in einer Vielzahl von Produktionsketten eingesetzten werden, ist ein Verzicht oder eine Substitution nach derzeitigem Kenntnisstand nicht möglich. Daraus leitet sich die Fragestellung ab, inwieweit es technisch und wirtschaftlich möglich ist, diese Prozesse künftig so zu gestalten, dass die Emission von Treibhausgasen minimiert wird und CO2 ggf. noch stärker als bisher an Stelle fossiler Kohlenstoffträger als Rohstoff dienen kann. Ein großtechnischer Prozess, bei dem dies prinzipiell relativ leicht möglich wäre, ist die Herstellung von Soda und Natron nach dem Solvayverfahren. Im Prozess werden Kochsalz, Kohle, Kalkstein und Ammoniak eingesetzt. Es entstehen sehr große Mengen hochsaliner Abwässer als Abprodukt. Eine Verwertung der FuE-Ergebnisse auf industrieller Anwendungsebene steht daher in Aussicht. Nächster Schritt wäre die Umsetzung im Pilotmaßstab. Das CO2-Vermeidungspotential beläuft sich allein in Deutschland auf ca. 1,8 Mio. t CO2. Hinzukommt die Vermeidung des Anfalls von ca. 12,5 Mio. m3/a hochsaliner Abwässer.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Keramische Membranen für die Gastrennung

In MemKoWI ist geplant, Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 und H2 in Industrien zu untersuchen, in denen sie bisher nicht etabliert sind. Das Potenzial, dass sie sich hier als skalierbare und durch die Möglichkeiten verschiedene keramische und polymere Membranmaterialien zu innovativen Kombinationen Lösungen zu verschalten, flexible und anpassbare Technologie, erweist ist sehr groß. Allerdings ist ebenfalls mit erheblichen Risiken zu rechnen. Im Vergleich zu den bisher untersuchten Einsätzen von Membranverfahren zur CO2-Abtrennung aus Kohlekraftwerksrauchgasen, zeichnen sich die in MemKoWI adressierten Gase durch andere Zusammensetzungen aus. Somit kann die Einsetzbarkeit der Verfahren zwar durch Berechnungen abgeschätzt, deren stabiler Einsatz aber nur im Versuch im Betriebsumfeld nachgewiesen werden. Potenzielle Anwender können so von den Vorteilen der Membranverfahren überzeugt werden. In MemKoWI ist der Einsatz von drei Testanlagen geplant. Eine der Anlagen ist bereits vorhanden und soll modifiziert werden, während die beiden anderen Anlagen neu zu bauen sind. Die hiermit verbundenen Kosten sind weder aus der Grundfinanzierung der beteiligten Forschungsinstitutionen noch aus den F&E-Budgets der beteiligten Unternehmen zu finanzieren. Weiterhin stellt die Einbindung der Anlagen in Industriestandorte einen erheblichen, anderweitig nicht finanzierbaren Aufwand dar. Die für die Membranherstellung verwendeten Rohmaterialien müssen in hinreichender Menge beschafft, verarbeitet und in Membranmodule verbaut werden. Auch die Ausgaben hierfür übersteigen die F&E-Budgets. Das für die Durchführung der geplanten Arbeiten notwendige Personal kann nur zum Teil aus der Grundfinanzierung gestellt werden. Projektpersonal muss, gerade auch im Hinblick auf die Erstellung wissenschaftlicher Arbeiten, eingestellt werden und der Personalaufwand für die Betreuung der Testanlagen abgedeckt werden.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 2: Elektrosynthese

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 1: Up- und Downstream processing

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Wasserstoffabtrennung aus Prozessgasen der Eisen- und Stahlindustrie

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre dauerstabile Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Module integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es, Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Entwicklung und Optimierung keramischer Support- Membranen für die Abscheidung von CO2- und H2-selektiven Gastrennmembranen

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre dauerstabile Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Module integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es, Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Membranmodule integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

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