Ziel der Entwicklung

Die Motivation für das Vorhaben entstand aus dem wirtschaftlichen Bedarf an CO2-neutralen Energieträgern und der Herausforderung, deren Herstellung effizient und wirtschaftlich zu gestalten. Geopolitische Abhängigkeiten in der Energieversorgung, die CO2-Bepreisung und die Klimaschutzziele erhöhen den Druck, alternative Energieträger zu entwickeln. Ein wesentlicher Impuls aus der Wirtschaft kommt dabei aus den Hard-to-abate-Sektoren: Energieintensive Industriebereiche sind auf hochkalorische gasförmige Energieträger für Prozesswärme und industrielle Anwendungen angewiesen, können diese aber nicht in allen Fällen durch direkte Elektrifizierung ersetzen.
Synthetisches Erdgas (SNG) bietet hierfür einen möglichen Lösungsansatz. Bei Erreichen der erforderlichen Gasqualität kann es in bestehende Erdgasinfrastrukturen eingespeist und darüber verteilt werden. Für die regionale Wirtschaft ist insbesondere die Frage relevant, wie sich eine solche Technologie durch skalierbare Anlagenkonzepte für unterschiedliche Bedarfe und Standorte nutzbar machen lässt. Um synthetisches Erdgas wirtschaftlich herstellen und für unterschiedliche industrielle Anwendungen nutzbar machen zu können, müssen Anlagenkonzepte und Prozessführung hinsichtlich Effizienz, Wärmeintegration und Skalierbarkeit gezielt weiterentwickelt werden.
Das zentrale Problem liegt darin, die Herstellung von SNG so zu optimieren, dass der Energiebedarf und die spezifischen Herstellungskosten reduziert und die Anforderungen an die Einspeisefähigkeit erfüllt werden können. Hierfür sind die Leistungsfähigkeit des Katalysators und eine optimierte Prozessführung entscheidend. Insbesondere die Wärmeabfuhr bei der stark exothermen Methanisierungsreaktion sowie die geeignete Gestaltung der Reaktionsstufen stellen wesentliche technische Herausforderungen dar. Durch gezielte Wärmeintegration soll die bei der Reaktion freigesetzte Wärme genutzt werden, um den externen Energiebedarf zu reduzieren und die Energieeffizienz der gesamten Prozesskette zu verbessern.
Ziel des Vorhabens war es daher, eine einfach skalierbare Methanisierungsanlage zur Herstellung von synthetischem Erdgas in einspeisefähiger Qualität zu entwickeln und zu untersuchen. Durch die Entwicklung strukturierter Katalysatoren, die Optimierung der Prozessführung und die Untersuchung des Anlagenkonzepts sollten die Effizienz der Methanisierung gesteigert und die Grundlagen für eine spätere Übertragung auf größere Produktionskapazitäten geschaffen werden. Damit soll eine technologische Basis entstehen, um künftig auch Unternehmen in der Region bei der Bewertung und Entwicklung von Lösungen für eine CO2-neutraler Energieversorgung zu unterstützen.

Vorteile und Lösungen

Zur Lösung der technischen Herausforderungen wurde ein zweistufiges Methanisierungskonzept entwickelt und in einer Versuchsanlage umgesetzt. Die Reaktoren wurden unter Berücksichtigung der stark exothermen Reaktion ausgelegt. Das Anlagenkonzept sieht eine Zwischenkühlung und Wasserabscheidung zwischen den Reaktionsstufen vor, um die Reaktionsbedingungen gezielt zu beeinflussen und die weitere Methanbildung zu begünstigen.
Ein wesentlicher Entwicklungsschwerpunkt lag auf strukturierten Katalysatoren. Hierzu wurden Trägerstrukturen vorbehandelt sowie Beschichtungsverfahren untersucht und optimiert. Ziel war es, den Wärme- und Stofftransport im Reaktor zu verbessern und gleichzeitig den Druckverlust gering zu halten. Die Katalysatoren wurden in das Reaktorkonzept integriert und im Anlagenbetrieb untersucht.
Zur Bewertung und Weiterentwicklung des Anlagenkonzepts wurden die Reaktoren verfahrenstechnisch ausgelegt und die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik in die Versuchsanlage integriert. Ergänzend wurden Prozesssimulationen durchgeführt, um die Betriebsbedingungen und die Wärmeführung zu untersuchen. Durch simulative Skalierung und die Entwicklung von Skalierungsvorschriften wurde die Übertragbarkeit des Anlagenkonzepts auf größere Produktionskapazitäten bewertet. Darüber hinaus umfassten die Arbeiten eine techno-ökonomische Prozessbewertung sowie die Untersuchung von Möglichkeiten zur Wärmeintegration, um das Potenzial zur Nutzung der entstehenden Reaktionswärme und zur Reduzierung des Energiebedarfs der gesamten Prozesskette zu bewerten.
Die experimentellen Untersuchungen bestätigten die Funktionsfähigkeit der Anlage im untersuchten Betriebsbereich. Dabei wurden ein geringer Druckverlust sowie ein positiver Einfluss der Zwischenkühlung und Wasserabscheidung auf den CO2-Umsatz festgestellt.
Die Ergebnisse schaffen eine technische Grundlage für die weitere Entwicklung skalierbarer Methanisierungsanlagen. Sie zeigen Ansatzpunkte zur Optimierung der Katalysatoren und der Prozessführung auf und unterstützen die weitere Untersuchung einer effizienten Herstellung von synthetischem Erdgas für industrielle Anwendungen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppen der entwickelten SNG-Anlage und des im Projekt aufgebauten Know-hows sind insbesondere energieintensive Industriebetriebe in sogenannten Hard-to-abate-Sektoren, beispielsweise die Keramik- und Grundstoffindustrie. Für Unternehmen mit hohem Prozesswärmebedarf, bei denen eine direkte Elektrifizierung technisch oder wirtschaftlich nur eingeschränkt möglich ist, kann synthetisches Erdgas eine dezentrale Energieversorgungslösung darstellen. Ein weiteres Anwendungsgebiet mit großem Potenzial stellt der maritime Sektor dar (klimaneutrale Schiffskraftstoffe). Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit, erneuerbare Energie chemisch zu speichern und bedarfsgerecht bereitzustellen. Damit kann SNG langfristig zur Verringerung der Abhängigkeit der deutschen Energiewirtschaft von Energieimporten beitragen.
Die entwickelte Anlage dient als Versuchsplattform zur Untersuchung von Anlagenkomponenten und unterschiedlichen Gaszusammensetzungen sowie zur Erprobung von Katalysatoren und Optimierung von Reaktoren und Prozessbedingungen. Das aufgebaute Know-how ermöglicht es, technische Konzepte zu bewerten und ihre Übertragbarkeit auf größere Anlagen zu untersuchen. Davon können Industrieunternehmen sowie Akteure aus der Energietechnik und Katalysatorentwicklung profitieren.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse erfolgt durch die kontinuierliche Ansprache potenzieller Kunden, den Austausch mit Industrieunternehmen, die Teilnahme an Fachveranstaltungen und Messen sowie geplante Workshops. Ziel ist es, daraus konkrete Forschungs- und Entwicklungsprojekte, Beratungs- und Engineering-Aufträge sowie experimentelle Testversuche zu entwickeln.
Im Projekt wurden mögliche Anwendungen mit Industrieunternehmen diskutiert, darunter der Einsatz von SNG für energieintensive Hochtemperaturprozesse. Eine konkrete industrielle Umsetzung wurde bislang nicht beschlossen. Neben dem regionalen Markt in Norddeutschland besteht auch überregional und international Anwendungspotenzial, sofern geeignete CO2-Quellen, erneuerbarer Wasserstoff und ein entsprechender Bedarf an gasförmigen Energieträgern vorhanden sind. Für das ttz ergeben sich daraus Perspektiven für Folgeprojekte, Auftragsforschung sowie Beratungs- und Engineering-Leistungen, beispielsweise in der Prozesssimulation, Anlagenauslegung, experimentellen Erprobung und techno-ökonomischen Bewertung.