Methanol

Im Zentrum dieses Arbeitspakets steht die Bereitstellung von Rohgasen für das Technikum – insbesondere Hochofengas (BFG), Konvertergas (BOFG) und Gase aus DRI-Prozessen. Dabei ist die Schnittstelle zwischen Technikum und Hütte in Duisburg entscheidend: Technische Fragestellungen wie die Variabilität der Arbeitszustände und Unterschiede in den Eingangsgasen müssen gründlich untersucht werden. Ein Ziel ist die stabile Versorgung des Technikums mit den benötigten Gasen, wobei die Auswirkungen von Schwankungen in der Gaszusammensetzung analysiert werden.

Die Forschenden entwickeln unterschiedliche Konzepte zur Optimierung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit bei der Nutzung von Kuppelgasen unter Berücksichtigung der regulatorischen Rahmenbedingungen. Bestehende sowie neuartige Hüttengase sollen hinsichtlich Verfügbarkeit und Zusammensetzung analysiert werden, um eine langfristige Integration in den Produktionsprozess zu ermöglichen. Die gezielte Nutzung von CO-haltigen Gasen aus der Stahlindustrie soll die interne Wasserstoffproduktion stärken und eine kohlenstoffeffiziente, emissionsarme Industrie fördern.

Ein weiteres Ziel: Die Integration von CCU in interne Kohlenstoffkreisläufe der Stahlindustrie soll weiterentwickelt werden, um CO₂-Emissionen zu minimieren. Dabei werden erneuerbare Energien und biogene Ersatzstoffe analysiert, um die Prozesse nachhaltiger zu gestalten. Moderne Regelverfahren und mathematische Optimierungstheorien werden angewandt, um günstige Betriebskonfigurationen für Carbon2Chem^®-Anlagen zu errechnen. Die Leistungsfähigkeit dieser modellbasierten Verfahren hängt von der Qualität der verwendeten Modelle ab. Teilmodelle der Netzwerke und eine neue Methodik zur Berechnung des Verbundbetriebs unter variablen Randbedingungen werden entwickelt, um die Transformation der Stahlindustrie über Jahrzehnte hinweg zu unterstützen.

Die effektive Reinigung der Rohgase ist zentral, um bedarfsgerechtes Synthesegas für die Methanol-Synthese bereitzustellen. Die Gasreinigung betrifft nicht nur kohlenstoffhaltige Gase aus industriellen Prozessen, sondern auch den Wasserstoff aus der alkalischen Elektrolyse auf dem Carbon2Chem^®-Technikumsgelände. Die Verfügbarkeit und Reinheit des Wasserstoffs verändern sich mit den Betriebsparametern der Elektrolyse und beeinflussen die nachfolgenden Prozesse. Ziel: ein tiefes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Betriebsparametern der Elektrolyse und den daraus resultierenden Verunreinigungen zu entwickeln, um die Gasreinigung anzupassen. Dabei erarbeiten und implementieren die Projektpartner auch Ansätze für die Betriebsanalytik und Anpassung des Anlagenbetriebs.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der CO₂-Abtrennung aus den Rohgasen, um CO₂ effektiv aus stark verunreinigten Stahlwerksgasen für die nachfolgende Synthese extrahieren zu können. Gezielte Untersuchungen zur CO₂-Absorption sollen das Verhalten und die Effizienz der Absorption unter verschiedenen Bedingungen analysieren. Ziel ist es, robuste und wirtschaftliche Konzepte zur CO₂-Abtrennung zu entwickeln, die auf die speziellen Anforderungen der Rohgasquellen abgestimmt sind. Anhand der Ergebnisse werden Strategien für Prozessgase aus anderen Branchen abgeleitet.

Die gewonnenen Erkenntnisse werden systematisch zusammengeführt, um eine umfassende Strategie zur Erzeugung eines bedarfsgerechten Synthesegases zu entwickeln. Die Ergebnisse der Gasreinigung, der CO₂-Wäsche und der Analysen werden zusammengeführt, um robuste Strategien für eine gleichbleibend hohe Qualität des Synthesegases zu erarbeiten, die die Effizienz und Stabilität der nachfolgenden Methanol-Synthese maximieren.

Im Rahmen des Arbeitspakets werden Forschungsdaten erhoben, um das Zusammenspiel von Katalysatorzusammensetzung, Desaktivierung und Nebenproduktbildung zu ergründen. Ausgeführt werden die Arbeiten zusammen mit den Experten aus dem Teilprojekt „Systemintegration“. Der technologische Ansatz wird im Pilotmaßstab mit Realgasen erprobt. Der Fokus liegt auf der Methanol-Synthese mit Synthesegas aus verschiedenen Hüttengasen wie BFG und BOFG. Ziel ist die Optimierung der Methanol-Synthese unter Verwendung realer Gasgemische aus der Stahlproduktion – einschließlich der Bewertung der Katalysatorstabilität und Effizienz über längere Betriebszeiten.

Besonderes Augenmerk liegt auf den Herausforderungen durch Schwankungen in der Gaszusammensetzung. Gleichzeitig sollen mit den anderen Arbeitspaketen geeignete Aufbereitungs- und Reinigungsschritte entwickelt werden, um Verunreinigungen im Synthesegas zu minimieren und den Katalysator zu schützen. Erkenntnisse aus geplanten Langzeitversuchen werden zur Weiterentwicklung und Skalierung der Methanol-Produktion beitragen und den Übergang vom Labor zu industriellen Maßstäben erleichtern.

Ein weiterer Schwerpunkt: die Methanol-Synthese mit Synthesegas aus industriellen Quellen wie Stahlwerken, Zementwerken und Biomassenvergasung. Ziel ist die Anwendung der Syntheseprozesse auf alternative CO₂-Quellen, die bisher wenig erforscht sind. Die wissenschaftlichen Arbeiten konzentrieren sich auf die Simulation und Modellierung dieser Prozesse, um effiziente Lösungen für die Gasaufbereitung zu entwickeln und stabile Produktionsbedingungen für die Methanol-Synthese zu schaffen.

In diesem Arbeitspaket werden Wege zum Downstreamprocessing des hergestellten Methanols untersucht – insbesondere die Kombination von Methanol (MeOH) aus Hüttengasen mit nachhaltigem, biobasiertem Ethanol (EtOH). Die Arbeiten sollen aufzeigen, dass die katalytische Kombination von MeOH und EtOH zu höheren Alkoholen positive Effekte auf nachgeschaltete Prozesse hat.

Ein weiterer Schwerpunkt: Die Planung und Umsetzung einer flexiblen »MeOH zu SAF«-Pilotanlage am Carbon2Chem^®-Technikum in Duisburg basierend auf dem bereits erarbeiten Know-how zur Technologie und Prozessoptimierung. Die Pilotanlage zur Herstellung von Sustainable Aviation Fuels (SAF) umfasst alle chemischen Reaktionsschritte der »MeOH zu SAF«-Technologie – einschließlich Methanol-to-Olefins, Olefin-Oligomerisierung und Oligomerisathydrierung.

Das Verfahren wird im kontinuierlich betriebenen Pilotanlagenmaßstab verifiziert und optimiert – inklusive Langzeitbetrieb aller Katalysatoren und deren Regeneration. Unterschiedliche Katalysator-Typen werden bei der Hydrierung eingesetzt und hinsichtlich des resultierenden SAF optimiert.

Ein wesentlicher Bestandteil dabei sind die Entwicklung und Optimierung der Katalysatoren, die im Betrieb der Pilotanlage getestet und regeneriert werden. Zudem soll die »MeOH zu SAF«-Technologie die Vermeidung von »nicht CO₂-Effekten« berücksichtigen, indem umweltschädliche Komponenten identifiziert und durch geeignete Substitute ersetzt werden.