Ziel der Entwicklung

Chemisorptive Verfahren werden aufgrund ihrer technologischen Vorteile in zunehmendem Maß eingesetzt und entwickeln sich zu einem wichtigen Teilgebiet der Adsorption. Ihr wesentlicher Vorteil besteht in der höheren Selektivität und Reaktivität. Diese Eigenschaften werden jedoch meist durch eine stärkere chemische Bindung oder chemischer Umsetzung erkauft, so dass bei der Regeneration drastischere Bedingungen anzuwenden sind.

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung von Messanordnungen, um die komplexen Vorgänge bei chemisorptiven Prozessen genau untersuchen und beschreiben zu können. Mit diesen Anordnungen können schnellere und selektivere chemisorptive Adsorptionsvorgängen und die unter drastischeren Bedingungen durchzuführende Regeneration nachgestellt und mehrere Beladungs- und Regenerationszyklen abgebildet werden. Durch die sichere Bestimmung der Beladungsparameter unter anwendungsrelevanten Bedingungen und die Testung verschiedener Regenerationskonzepte können neue Verfahren schnell und effektiv entwickelt werden.

Zur Abbildung des technischen Prozesses bei der Beladung und Regeneration des Adsorbens wurden im Rahmen des Vorhabens Adsorptions- sowie Desorptionseinheiten für die Gas- und die Flüssigphase am INC aufgebaut.

Vorteile und Lösungen

Mit Hilfe der Adsorptions- sowie Desorptionseinheiten ist es möglich, den technischen Prozess, die Zyklenfahrweise, im kleintechnischen Maßstab abzubilden und entsprechende Datensätze zu generieren. Mit diesen Messanordnungen können sowohl die Adsorption aus der Gas- und der Flüssigphase als auch die Regeneration in der Gasphase bzw. Regeneration durch Extraktion mit einer Flüssigphase untersucht werden.

Mit Hilfe der Messtechnik wird die Entwicklung von neuen Verfahren zur Regeneration von Adsorbentien vereinfacht, da im bench-scale-Maßstab der Prozess abgebildet und durch die Wahl der Prozessparameter schnell Ergebnisse Zur Optimierung von Prozessparametern erhalten werden. Außerdem ermöglichen die Anordnungen die Erprobung neuartiger Materialien für die im Rahmen der Energiewende und der Neuausrichtung der Chemischen Industrie als Kreislaufwirtschaft zu entwickelnden neuen Verfahren.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das INC kann aufgrund des Vorhabens folgende Dienstleistungen anbieten:
– Dienstleistungen hinsichtlich Untersuchungen zur Regenerierbarkeit von chemisorptiv beladenen Materialien, Zyklenfestigkeit, Machbarkeitsstudien zu Applikationsfeldern und speziellen Fragestellungen zum Einsatz der regenerierten Materialien und Lieferung von Stoff- und Prozessdaten zur Auslegung der Regenerationsanlagen bzw. -verfahren für planende Ingenieurbüros und Anlagenbauer;
– Dienstleistungen im Bereich Entwicklung und Testung neuartiger Materialien unter definierten Anwendungsbedingungen;
– Dienstleistungen im Verfahrensoptimierung bezüglich Prozessbedingungen;
– Dienstleistung zur Auswahl geeigneter chemisorptiv arbeitenden Adsorbentien für konkrete Fragestellungen.

Die wesentlichen Zielgruppen sind:
– Hersteller von imprägnierten / dotierten Aktivkohlen,
– Hersteller neuartiger Adsorbentien auf der Basis von modifizierten Zeolithen,
– Aufbereiter von gebrauchten Aktivkohlen (Regeneration),
– Ingenieurbüros und Anlagenbauer, die großtechnische Anlagen zur Regeneration von Aktivkohlen und anderer Materialien projektieren bzw. bauen und
– Anlagenbetreiber, die eine in-situ-Regeneration von chemisorptiv beladenen Aktivkohlen und anderer Materialien durchführen möchten, um längere Standzeiten der Adsorptionsanlagen zu realisieren.

Die wesentlichen Zielmärkte sind:
– Erzeugung von Biomethan aus Biogas vor Ort,
– Reinigung von Erdgas (Entfernen von Odorierungsmitteln, Abtrennen von Schwefelwasserstoff und Stickstoff)
– Gewinnung reiner Prozessgase (Stickstoff, Wasserstoff)
– Reinigung von Prozess- und Abgasen sowie Abwasseraufbereitung.

Biomethan und Kohlendioxid aus Biogas
In Deutschland gibt es zurzeit 246 Biomethananlagen (Stand 01/2023, siehe Abbildung), die aus Biogas Erdgas erzeugen und dieses als Biomethan in das Erdgasnetz einspeisen bzw. LNG-Tankstellen beliefern.
In Europa sind insgesamt 1.222 Biomethan-Produktionsanlagen (Stand April 2023; Quelle EBA) in Betrieb. Im Vergleich zu den letzten Jahren ist die Anzahl der Anlagen in Europa stark gestiegen (627 in 2018, 883 in 2020 und 1.067 in 2021).
Um das Ziel der klimaneutralen Energieversorgung zu erreichen, ist davon auszugehen, dass in Zukunft weitere Biomethananlagen errichtet werden, da Biomethan die einzig speicherbare erneuerbare Energie darstellt.

Luftreinhaltung und Umweltschutz
Im Jahr 2020 wurden die meisten umweltschutzbezogenen Umsätze mit 58,2 Milliarden Euro (73,7 %) im Verarbeitenden Gewerbe erzielt. 2020 erwirtschafteten Betriebe in Deutschland Umsätze in Höhe von 47,2 Milliarden Euro mit Gütern und Leistungen für den Klimaschutz. Zu den ökonomisch wichtigsten Säulen des Klimaschutzes im Jahr 2020 zählten Maßnahmen der Energieeffizienzsteigerung und Energieeinsparung (54,8 % bzw. 25,9 Mrd. Euro) und Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien (41,8 % bzw. 19,8 Mrd. Euro). Betrachtet man für das Jahr 2020 die Die Abgas- und Abluftbehandlung für gas- und dampfförmige Stoffe hat einen Anteil von 47 % an den Umsätzen mit Umweltschutzgütern und -leistungen im Umweltbereich Luftreinhaltung.

Chemische Industrie/Katalytische Prozesse
In den Bereich der Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien fallen auch die Power-to-X-Technologien. Hier gibt es entsprechenden hohen Forschungsbedarf, der in den letzten Jahren aufgrund der angestrebten Energiewende deutlich gestiegen ist. Für Power-to-X als auch allgemein in der Chemischen Industrie werden Gase (z.B. Wasserstoff) in hoher Reinheit benötigt. Für die Gasaufreinigung bzw. Vorreinigungsstufen bei katalytischen Prozessen kommen meist nur die hochselektive Chemisorption in Frage.