Direkte Widerstandsbeheizung im ohmschen Reaktor

Die chemische Industrie steht vor der Aufgabe, ihre Prozesse umfassend zu dekarbonisieren und auf eine CO₂-neutrale Produktion umzustellen. Ein zentraler Hebel hierfür ist die Elektrifizierung chemischer Prozesse durch innovative Technologien wie direkt widerstandsbeheizte Reaktoren. Diese Reaktoren nutzen elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen, um chemische Reaktionen effizient und flexibel zu realisieren und fossile Rohstoffe weitgehend zu ersetzen.

Detailziele der Forschung sind der Bau solcher Reaktoren sowie die Entwicklung widerstandsbeheizbarer Katalysatormaterialien. Diese Technologien sollen exemplarisch anhand praxisnaher Anwendungen demonstriert werden, darunter die Synthese von Basischemikalien wie 1,3-Butadien aus Bioethanol sowie die emissionsarme Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniak. Im Fokus steht dabei die Optimierung der Energieeffizienz, Prozessstabilität und Skalierbarkeit, um die Übertragbarkeit auf industrielle Anwendungen sicherzustellen.

Die direkte Widerstandsbeheizung chemischer Prozesse bietet herausragende Einsparpotenziale hinsichtlich Energieverbrauch und CO₂-Emissionen. Ohmsche Reaktoren, die mit Strom aus regenerativen Energien betrieben werden, zeichnen sich durch nahezu verlustfreie Energieübertragung aus, wodurch bis zu 20 bis 30 Prozent der Energie im Vergleich zu konventionellen Verfahren eingespart werden können . Zudem ermöglicht die Steuerung der Reaktionstemperatur und eine erhöhte Prozessstabilität und Flexibilität. Mit ihrer hohen Effizienz und der Möglichkeit, fossile Brennstoffe vollständig zu ersetzen, treiben ohmsche Reaktoren die Elektrifizierung und Dekarbonisierung der chemischen Industrie maßgeblich voran.

Die erzielten Fortschritte umfassen mehrere Schlüsselbereiche:

1. Katalysatoren und Reaktorentwicklung

Die Entwicklung elektrisch leitfähiger Katalysatorformkörper wurde erfolgreich vorangetrieben. Diese Katalysatoren wurden in unterschiedlichen Formen wie keramischen Vollkörpern oder hochporösen Schaumstrukturen (z. B. SiC-Schäume) hergestellt, die effizient in die Prozesse integriert werden können. Diese Materialien ermöglichen eine direkte elektrische Widerstandsbeheizung, wodurch eine präzise Steuerung von Temperatur und Reaktionsbedingungen ermöglicht wird. Dabei wurde auch die Anpassung der Reaktordesigns an spezifische Anforderungen adressiert, um die Prozessstabilität und Effizienz zu optimieren.

2. Ammoniak-Cracking

Erste Tests zur Zersetzung von Ammoniak haben gezeigt, dass die Wasserstoff-Rückgewinnung unter Verwendung elektrisch beheizter Reaktoren effizient umgesetzt werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, bei denen indirekte Beheizung mit hohen Energieverlusten erfolgt, erlauben die neuen Systeme eine effektive Wärmeübertragung direkt ins Katalysatorbett.

3. Simulationsmethoden

Die Weiterentwicklung mathematischer Modellierungs- und Simulationsmethoden wurde erfolgreich umgesetzt. So konnten die Mikrostrukturen der Reaktoren virtuell abgebildet werden, um komplexe Prozesse wie Stoff- und Wärmetransport präzise nachzustellen. Auf Grundlage dieser Modelle wurden Temperatur- und Energieprofile sowie die kinetischen Abläufe der chemischen Reaktionen vorhergesagt. Dies führte zu einer validierten Grundlage, die es ermöglicht, Prozessparameter bereits im Entwicklungsstadium zu optimieren und die Geometrie der Reaktoren gezielt für höhere Leistung und Effizienz anzupassen.

Diese Zwischenergebnisse ebnen den Weg für energieeffiziente, skalierbare und treibhausgasarme Technologien, die das Potenzial haben, zentrale Prozesse der chemischen Industrie nachhaltig zu transformieren. 

• Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
• Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM