Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Jahr 2020
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FACHBERICHTE Forschung und Lehre
Engler-Bunte-Institut des
Karlsruher Instituts für Technologie
(KIT) im Jahr 2020
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut, Forschungs
stelle für Brandschutztechnik und TZW: DVGW-Technologie
zentrum Wasser, Karlsruhe, Teil 1
Harald Horn, Thomas Kolb, Dimosthenis Trimis und Josef Klinger
Forschung und Lehre, Tätigkeitsbericht, Ausbildung, Weiterbildung
Dieser jährlich erscheinende Bericht gibt einen Überblick über die Entwicklungen und Aktivitäten am Engler-Bunte-Insti-
tut, der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT sowie der Forschungsstelle für Brandschutztechnik. Da-
rüber hinaus wird über das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser berichtet. Wie es auch in den vergangenen Jahren
gehandhabt wurde, erscheinen die gasspezifischen Beiträge in gwf Gas + Energie (Teil 1: Ausgabe 6/2021, EBI ceb; Teil 2:
Ausgabe 7-8/2021, EBI vbt) und die wasserspezifischen Beiträge im gwf-Wasser | Abwasser (Teil 3: Ausgabe 6/2021, EBI
WCT; Teil 4: Ausgabe 7-8/2021, TZW). Typischerweise steht die Entwicklung der verschiedenen Einrichtungen mit Beiträ-
gen aus der universitären Lehre, der Aus- und Weiterbildung, über Forschungs- und Entwicklungsprojekte, über Beratung
und Firmenkontakte im Fokus. In diesem Bericht wird aber unstrittig auch immer wieder die Corona-Pandemie themati-
siert werden, da sie sehr tief in die Organisation der Forschungsarbeiten und vor allem der Lehre eingegriffen hat.
The annual report aims at giving an overview of developments and activities of the Engler-Bunte-Institut, the DVGW
Research Center, the Research Center of Fire Protection Technology, and the TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser
(German Water Center). As every year, the gas related parts can be found in gwf Gas + Energie (part 1: issue 6/2021, EBI
ceb; part 2: issue 7-8/2021, EBI vbt) and the water related parts in gwf-Wasser | Abwasser (part 3: issue 6/2021, EBI WCT;
part 4: issue 7-8/2021, TZW). The report typically highlights academic teaching, courses and advanced education, and
focuses on scientific research and development projects, on consulting and contacts to business companies as well as
on other activities. However, the current annual report also addresses the effects of the corona pandemic, which does
significantly influence the daily work in research, consulting and of course teaching.
Zur Geschichte und zum Umfeld und Wassertechnologie“, auch in Personalunion Leiter der
Das Engler-Bunte-Institut am Karlsruher Institut für Tech- entsprechenden Bereiche der DVGW-Forschungsstelle
nologie ist hervorgegangen aus der 1907 gegründeten am Engler-Bunte-Institut des KIT sind.
„Lehr- und Versuchsgasanstalt“ und führt seit 1971 den Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist nach
Namen „Engler-Bunte-Institut“. Die enge Verbindung zu dem Zusammenschluss des Forschungszentrums Karlsru-
praxisrelevanten Fragestellungen des Gas- und Wasserfa- he und der Universität Karlsruhe im Jahre 2009 inzwi-
ches äußert sich darin, dass die jeweiligen Teilinstitutslei- schen eine feste Größe in der internationalen Forschungs-
ter, gegenwärtig „Chemische Energieträger – Brennstoff- landschaft. Dies gelingt mit dem hohen Anspruch, sich
technologie“, „Verbrennungstechnik“ und „Wasserchemie selbst als die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Ge-
54 gwf Gas + Energie 6/2021
Forschung und Lehre FACHBERICHTE
Engler-Bunte-Institut
am Karlsruher Institut für Technology (KIT)
Bild 0.1: Aktuelle Orga-
Chemische Energieträger Verbrennungstechnik Wasserchemie und nisationsstruktur des
– Brennstofftechnologie Prof. Dr. Dimosthenis Trimis
Prof. Dr. Nikolaos Zarzalis
Wassertechnologie Engler-Bunte-Instituts
Prof. Dr. Thomas Kolb Prof. Dr. Harald Horn
Prof. Dr. Reinhard Rauch Forschungsstelle für Prüflaboratorium Gas Dr. Gudrun Abbt-Braun und der DVGW-For-
Brandschutztechnik Dr. Jens Hoffmann
Dr. Dietmar Schelb Wasserchemie und schungsstelle am Eng-
Gastechnologie / Wassertechnologie ler-Bunte-Institut, Frau
Innere Dienste Dr. Florencia Saravia
Dr. Frank Graf Dr.-Ing. Florencia Saravia
ist seit 2020 Leiterin des
Bereichs Wasserchemie
und Wassertechnologie
DVGW - Forschungsstelle
an der DVGW-For-
ITC vgt am CN am Engler-Bunte-Institut
schungsstelle
meinschaft zu definieren. Im KIT wird seit dem Jahre 2015 ren mit einer sehr hohen internationalen Sichtbarkeit im
ein übergeordneter Strategieprozess (Dachstrategie KIT Rahmen von Forschungs- und Lehrtätigkeit zu den The-
2025) umgesetzt, der als Konsequenz des zuvor erarbei- menfeldern Energie und Umwelt wesentlich zur Umset-
teten Leitbilds des KIT angesehen werden kann. Das KIT zung des KIT-Leitbilds bei. Diese Zusammenarbeit wurde
hat sich 2015 zum Ziel gesetzt, maßgeblich Beiträge zu vom Landesrechnungshof 2020 nach einer Prüfung des
den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Engler-Bunte-Instituts in 2019 positiv adressiert. Die Or-
2019 konnte das KIT im Rahmen der Exzellenzstrategie ganisation des Engler-Bunte-Instituts ist in Bild 0.1 darge-
von Bund und Ländern mit dem Leitmotiv „Living the stellt. Seit 2020 ist Frau Dr.-Ing. Florencia Saravia die Leite-
Change“ in den Kreis der Exzellenzuniversitäten in rin des Bereichs Wasserchemie und Wassertechnologie
Deutschland zurückkehren. an der DVGW-Forschungsstelle des Engler-Bunte-Insti-
Unstrittig ist das Engler-Bunte-Institut (EBI) ein wichti- tuts.
ger Baustein der Strategie, indem es das KIT-Leitbild mit Am Tag der Gesellschaft der Freunde des Engler-Bun-
relevanten Forschungsfragen/-projekten und der Ausbil- te-Instituts (als online-Veranstaltung am 10. Juni 2020)
dung des ingenieur- und naturwissenschaftlichen Nach- wurde auf der Kuratoriumssitzung des Engler-Bunte-
wuchses bespielt. So sieht das KIT sich „in der Verantwor- Instituts und in der Mitgliederversammlung einem neu-
tung, durch Forschung und Lehre Beiträge zur nachhalti- en Logo für das Engler-Bunte-Institut zugestimmt
gen Lösung großer Aufgaben von Gesellschaft, Wirtschaft (Bild 0.2)
und Umwelt zu leisten“. „Ingenieurwissenschaften, Natur- Darüber hinaus ging 2020 der seit 2019 von der Gesell-
wissenschaften sowie Geistes- und Sozialwissenschaften schaft der Freunde des Engler-Bunte-Instituts vergebene
bilden den Fächerkanon des KIT. Mit hoher interdiszipli- Preis für die beste Masterarbeit an Herrn Fabian Hardock,
närer Wechselwirkung erschließen sie Themenstellungen der bei seiner Arbeit zu Rußpartikeln (Entwicklung und
von den Grundlagen bis zur Anwendung, von der Ent- Validierung eines HRTEM-Bildauswertungsalgorithmus
wicklung neuer Technologien bis zur Reflexion des Ver-
hältnisses von Mensch und Technik. Um dies bestmög-
lich zu erreichen, erstreckt sich die Forschung am KIT
über die gesamte Bandbreite: von der Grundlagenfor-
schung bis zu industrienaher, angewandter Forschung,
neu: alt:
von kleinen Forschungsvorhaben bis zu langfristigen
Großforschungsprojekten.“
Bild 0.2: Das neue Logo (links) des Engler-Bunte-Instituts,
Das Engler-Bunte-Institut am KIT zusammen mit der rechts ist das alte Logo abgebildet
angeschlossenen DVGW-Forschungsstelle trägt seit Jah-
gwf Gas + Energie 6/2021 55
FACHBERICHTE Forschung und Lehre
Teilinstitute detaillierter dargestellt. Die aus der Praxis
entstehenden Fragestellungen werden vor allem in der
DVGW-Forschungsstelle, der Abteilung Gastechnologie,
dem Prüflaboratorium Gas und der Forschungsstelle für
Brandschutztechnik bearbeitet.
Das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser entwi-
ckelt auf der Basis seiner umfangreichen Forschungsakti-
vitäten und Praxiserfahrungen Lösungen für alle Bereiche
der nationalen und internationalen Wasserbranche vom
Ressourcenschutz über die Gewinnung und Aufberei-
tung bis hin zur Entnahmearmatur. Rund 200 Mitarbeite-
rinnen und Mitarbeiter stehen Wasserversorgern, Unter-
nehmen, Fachbehörden und Hochschulen partnerschaft-
lich zur Seite. Das TZW liefert zuverlässige Zahlen, Daten
und Fakten und entwickelt daraus innovative Konzepte
für eine zukunftsfähige Wasserversorgung. Organisato-
risch ist das TZW untergliedert in die Fachabteilungen:
Wasserversorgung, Wasserchemie, Wasserbiologie, Was-
serverteilung und Prüfstelle Wasser.
Erfreulich war im Jahr 2020, dass nahezu alle For-
schungsarbeiten am EBI und am TZW trotz der Corona-
Pandemie weiterlaufen konnten. Dies wurde ermöglicht
durch die Erstellung von spezifischen Gefährdungsbeur-
teilungen und den entsprechenden Betriebsanweisun-
gen (ab März 2020) für das Arbeiten in den Werkstätten
und Laboratorien auf der einen Seite und die intensive
Nutzung der Möglichkeit zum mobilen Arbeiten.
Zusätzlich zu den oben benannten Quellen der Förde-
Bild 0.3: Kunstobjekt vor dem neuen Gebäude des Engler-Bunte-Instituts rung durch die öffentliche Hand wird ein erheblicher An-
teil der Forschungsprojekte auch durch Aufträge aus In-
dustrie und Unternehmen finanziert. Ein Partner für be-
sonders innovative Forschungsideen ist die Gesellschaft
zur nanostrukturellen Analyse von Rußpartikeln) von Prof. der Freunde des Engler-Bunte-Instituts, die die Teilinstitu-
Henning Bockhorn betreut wurde. te seit Jahren zuverlässig und zum Teil sehr großzügig
Nach dem Bezug der neuen Gebäude (40.50 und 40.51) unterstützt. Die Ergebnisse der zahlreichen Forschungs-
des Engler-Bunte-Instituts wurde im letzten Jahr auch die projekte sind in einer beachtlichen Zahl von Publikatio-
Kunst am Bau abgeschlossen. Es handelt sich bei dem Ob- nen dokumentiert, die in führenden internationalen
jekt um einen länglichen Quader aus Eisen (Grauguss), der Fachjournalen mit strengen Begutachtungsverfahren er-
in zwei Teile gesprengt wurde, die nun vor dem Gebäude schienen sind. Die Verzeichnisse sind den Berichten der
40.51 installiert sind (Bild 0.3). Ein Video der Herstellung einzelnen Teilinstitute zu entnehmen.
des Quaders und der anschließenden Sprengung kann im
Internetauftritt des Künstlers Nino Maaskola gefunden
werden (http://nino-maaskola.de/40-tonnen/). Lehre und Ausbildung
Im Grunde genommen stand die Lehre am Engler-Bunte-
Institut das ganze Jahr 2020 unter dem Eindruck der Coro-
Forschung und Beratung am Engler-Bunte- na-Pandemie. Während die Lehre des WS 19/20 noch bis
Institut und am TZW Anfang März in Präsenz angeboten wurde, waren dann
Das Aufkommen von Forschungsprojekten aus dem Gas- Vorlesungen und Seminare ab SS 2020 als online Veran-
und Verbrennungsfach sowie dem Wasserfach ist nach staltungen für die Studierenden verfügbar. Einschränkun-
wie vor sehr hoch. Die Mittel kommen dabei vom Land gen gab es bei den großen Praktika, bei denen die Stu-
BW (Ministerien, BW-Stiftung), dem Bund (DFG, BMBF, dierenden die Versuche als Video angeboten bekommen
BMWi, DBU, HGF) und der Europäischen Union. Die ein- haben und dann auf der Basis von „Versuchsergebnissen“
zelnen Forschungsprojekte werden in den Berichten der ihre Protokolle schreiben mussten. Nur ein Teil der Prakti-
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Forschung und Lehre FACHBERICHTE
ka konnte im Sommer 2020 in Präsenz durchgeführt wer- ne Reihe von Hauptfächern, Vertiefungsrichtungen und
den. Erfreulich war, dass wir die Durchführung von Studi- Profilfächern an. Für den englischsprachigen Studien-
en-, Bachelor- und Masterarbeiten nahezu uneinge- gang „Water Science and Engineering“ wird vom Engler-
schränkt realisieren konnten, da der Zugang zu den Bunte-Institut das Profil „Water Technologies & Urban
Laboratorien nicht eingeschränkt war, solange die Ab- Water Cycle“ bedient, mit Veranstaltungen zur Wasser-
standsregeln und die weiteren Schutzmaßnahmen (wie qualität, Mess-/Analysetechnik und Wasserbehandlung.
das Tragen von Masken) eingehalten wurden. Neben der Studierenden - und Doktorandenausbil-
Nach wie vor ist der Zugang von Studierenden in den dung ist die Weiterbildung der bereits im Beruf stehen-
ersten Semestern der Ingenieurstudiengänge an deut- den Fachleute ein zentraler Bestandteil des Programms
schen Universitäten nicht zufriedenstellend. Auch der am Engler-Bunte-Institut. Leider musste für 2020 der Gas-
Bachelor-Studiengang „Chemieingenieurwesen und Ver- kursus am Engler-Bunte-Institut wegen der Pandemie
fahrenstechnik“ ist betroffen, konnte aber die Zahlen im abgesagt werden. Eine lange geplante internationale
WS 20/21 stabil halten. Der Bachelor-Studiengang „Bioin- Konferenz „Biofilms9“ wurde mit 280 Teilnehmern online
genieurwesen“ ist ausgelastet und stellt zurzeit ein Drittel durchgeführt.
der Studierenden im ersten Semester. Im Rahmen der Der folgende detailliertere Tätigkeitsbericht enthält
Studiengänge „Chemieingenieurwesen und Verfahrens- wie in den letzten Jahren Beiträge der drei Bereiche am
technik“ und „Bioingenieurwesen“ beteiligt sich das Eng- Engler-Bunte-Institut und der angeschlossenen DVGW
ler-Bunte-Institut an der Grundausbildung und bietet in Forschungsstelle und des TZW: DVGW-Technologiezent
den Bereichen Brennstoffe, Energieverfahrenstechnik, rum Wasser.
Verbrennung und Wasserchemie/Wassertechnologie ei-
1. Chemische Energieträger - Brennstofftechnologie, EBI ceb und Bereich Gastechnologie
der DVGW-Forschungsstelle
Thomas Kolb, Reinhard Rauch, Siegfried Bajohr, Frank Graf
1.1 Lehre und Forschung die Bearbeitung von Forschungsthemen von den Grund-
Das Teilinstitut Chemische Energieträger – Brennstoff- lagen bis zur technischen Anwendung.
technologie, EBI ceb, befasst sich in Lehre und Forschung In der Lehre vertritt das EBI ceb das Vertiefungsfach
mit der Verfahrenstechnik und Chemie der Brennstoff- „Chemische Energieträger – Brennstofftechnologie“ des
umwandlung und -aufbereitung. Masterstudiengangs der Fakultät Chemieingenieurwesen/
Die Forschungsarbeiten EBI ceb konzentrieren sich auf Verfahrenstechnik, ciw/vt. Die Vorlesungen „Grundlagen
fossile und biogene Brennstoffe, deren verfahrensspezifi- der Brennstofftechnik“, „Energieträger aus Biomasse“, „Raf-
sche Charakterisierung sowie die Verfahrenstechnik und finerietechnik“, „Katalytische Verfahren der Gastechnik“,
Chemie der Brennstoffumwandlung und Aufbereitung, „Technical Systems for Thermal Waste Treatment“ und
insbesondere bei hohem Druck. Weitere Arbeitsschwer- „Wirbelschichttechnik“ werden von den Lehrenden des EBI
punkte sind die Synthese von Brennstoffen, neue Bio- ceb angeboten. Das Vorlesungsangebot im Vertiefungs-
Brennstoffe sowie die Nutzung chemischer Energieträger fach wird ergänzt durch Vorlesungen aus der Verbren-
als Energiespeicher und Grundstoffe für die chemische nungstechnik, EBI vbt, und aus anderen Instituten des KIT.
Industrie. Das EBI ceb trägt darüber hinaus wesentlich zu den
Die grundlagenorientierten F&E-Arbeiten von EBI ceb Grundlagenfächern der Studiengänge der Fakultät bei.
werden ergänzt durch die Arbeiten zur Flugstrom-Verga- Die Vorlesung „Prozess- und Anlagentechnik“, die als einzi-
sung der Abteilung Vergasungstechnologie, ITC vgt, am ge Vorlesung verpflichtend für alle Studierenden der Mas-
Institut für Technische Chemie, Campus Nord. Durch die terstudiengänge ciw/vt/biw ist, vertieft die ingenieurs-
enge Verbindung zwischen EBI ceb und ITC vgt werden technischen Grundlagenkenntnisse, erweitert die Kompe-
die anwendungsnahen Forschungseinrichtungen des tenzen in der Bewertung von technischen Prozessen und
Campus Nord auch für die Ausbildung der Studierenden Verfahren und zeigt Beispiele für die technische Anwen-
verstärkt genutzt. dung. Das integrierte Praktikum an der bioliq®-Pilotanlage
Der dem EBI ceb angeschlossene Bereich Gastechno- im Campus Nord ermöglicht den Studierenden einen
logie der DVGW-Forschungsstelle am EBI, DVGW gt, be- Einblick in einen industrienahen Anlagenkomplex.
fasst sich mit der Technik und den Verfahren der Gaser- Die Vorlesung „Organisch-chemische Prozesskunde“
zeugung, -verteilung und -verwendung. Die enge the- im Bachelor-Studiengang sowie diverse Praktika und Ex-
matische Verknüpfung von EBI ceb und DVGW gt fördert kursionen für die Studienrichtungen Verfahrenstechnik
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FACHBERICHTE Forschung und Lehre
und Chemieingenieurwesen ergänzen das Lehrangebot Bei dem alle zwei Jahre verliehenen „Innovationspreis der
des EBI ceb. In Kooperation mit EBI vbt ist EBI ceb verant- Deutschen Gaswirtschaft“ erreichte die Dreiphasen-Me-
wortlich für die Vorlesung „Energieverfahrenstechnik“ thanisierung des EBI ceb in der Kategorie Forschung &
und das Profilfach „Energie- und Umwelttechnik“ für den Entwicklung im Jahr 2020 das Finale der drei innovativs-
Bachelor-Studiengang. ten Projekte (https://innovationspreis.gas.info/house-of-
Es werden aber nicht nur die rein ingenieurwissen- innovation/forschung-entwicklung/dreiphasen-metha-
schaftlichen Fächer gelehrt, sondern auch überfachliche nisierung). Weitere Ereignisse in 2020 aus dem Themen-
Qualifikationen, wie z. B. „Ethik und Stoffkreisläufe“, wo feld Lehre und Fortbildung sind in Tabelle 1.1 aufgeführt.
grundlegende Kenntnisse der Ethik und wichtige Stoff- Leider mussten hier einige Veranstaltungen auf Grund
kreisläufe auf der Erde und ihre Beeinflussung durch der angespannten Pandemie-Situation ausfallen.
menschliche Gesellschaften den Studierenden im Bache-
lorstudium vermittelt werden. 1.2 Große Projekte zur Energiewende
EBI ceb ist in verschiedenen englischsprachigen Studi- Auch im Jahr 2020 wurden am EBI ceb und im Bereich
engängen des KIT durch Vorlesungen und Praktika sowie Gastechnologie der DVGW-Forschungsstelle wichtige
in koordinierender Funktion tätig. Hier sind zu nennen: Forschungsprojekte aus dem Umfeld der Energiewende
der Master-Studiengang ENTECH von EIT InnoEnergy, der und der Gaswirtschaft begonnen bzw. fortgesetzt. Be-
Energie-Master-Studiengang im Bereich der KIT School of sonders hervorzuheben sind dabei die im Folgenden
Energy sowie die Weiterbildung von Ingenieuren mit In- aufgeführten Projekte:
dustrieerfahrung im Rahmen der HECTOR School. 1. BMWi-Leitprojekt „MethQuest“: Im Sommer 2018 wur-
Alle Vorlesungen wurden ab dem Sommersemester de das Leitprojekt gestartet. Dieses besteht aus sechs
2020 über elektronische Medien gehalten. Die Umstel- Verbundprojekten mit einem Gesamtbudget von 32
lung war mit großem Aufwand auf Seiten der EDV-Fach- Mio. € und beschäftigt sich mit der Erzeugung von EE-
leute, der betreuenden Doktoranden und der Lehrenden Methan über PtG-Verfahren und mit der Nutzung in
verbunden. Die Rückmeldung der Studierenden war stationären und mobilen Anwendungen. 2020 wur-
durchweg sehr positiv. Studierende und Lehrende ver- den u.a. erfolgreich Versuche an der 3-Phasen-Metha-
missen aber die Präsenz-Vorlesung und -Übung, die den nisierungsanlage am Energy-Lab 2.0 durchgeführt.
direkten Austausch und die Diskussion wesentlich einfa- 2. Horizon 2020 Projekt „STORE&GO“: Nach Auswertung
cher und intensiver ermöglicht. der Betriebsphasen der drei PtG-Demonstrationsanla-
gen an den Standorten Falkenhagen (D), Troia (I) und
Solothurn (CH) und Finalisierung der begleitenden
Tabelle 1.1: Ereignisse 2020 Forschungsaktivitäten wurde das Projekt 2020 erfolg-
Datum Ereignis reich abgeschlossen.
3. ENSURE II (BMBF): Das Kopernikus-Projekt „ENSURE“ zu
20.01.2020 Exkursion im Rahmen der Vorlesung “Technical Systems
neuen Netzstrukturen wird fortgeführt. DVGW gt ist
for Thermal Waste Treatment” zur BASF – N800 und den
für die Sektorenkopplung mit Gas zuständig.
Technischen Werken Ludwigshafen TWL/GML.
4. Roadmap Gas 2050 (DVGW): Im Rahmen des Verbund-
17./18.02.2020 STORE&GO Abschlusskonferenz in Karlsruhe. projektes werden die Rolle von Gas bei der Energie-
20.04.2020 Beginn der Vorlesungszeit im Sommersemester in di- wende mit Hilfe von technologischen und systemi-
gitaler Form. schen Untersuchungen analysiert und Lösungswege
23.03.2020 Der alljährliche Gaskursus muss abgesagt werden. aufgezeigt. 2020 wurde u.a. analysiert wie EE-Gase in
März 2020 Das alljährliche, mehrtägige Doktorandenseminar der MENA-Region erzeugt und nach Deutschland
(Wanderseminar) wird vorerst verschoben. Da sich transportiert werden können.
auch im Herbst die Situation nicht entspannt hat, 5. reFuels – Kraftstoffe neu denken: Im Demonstrations-
wird es endgültig abgesagt. projekt „reFuels“ geht es um die Herstellung und An-
23.09.2020 Der Erfahrungsaustausch der Chemiker und Ingeni- wendung von regenerativen Kraftstoffen, wobei der
eure des Gasfachs in Kassel wird auf 2021 verscho- Fokus auf Benzin aus Biomasse und Diesel aus CO2
ben. liegt.
02.11.2020 Beginn der Vorlesungszeit im Wintersemester in digi-
1.3 Im Jahr 2020 abgeschlossene
taler Form.
wissenschaftliche Arbeiten
22.12.2020 Auch die Weihnachtsfeier des EBI ceb kann nicht
Die folgenden Studierenden unserer Fakultät konnten im
stattfinden.
Jahr 2020 ihr Studium am EBI ceb mit dem Master ab-
schließen:
58 gwf Gas + Energie 6/2021
Forschung und Lehre FACHBERICHTE
■■ Daniel Böhm „Bestimmung der Vergasungskinetik ■■ Marius Müller „Untersuchung zur Massenstromskalie-
biogener Festbrennstoffe mit H2O im Einzelpartikelre- rung gasgestützter Düsen“, Prof. Kolb
aktor bei erhöhtem Druck“, Prof. Kolb ■■ Wiebke Asbahr „Experimentelle Untersuchung des
■■ Daniel Conrad „Untersuchungen zur thermischen Zer- Einflusses unterschiedlicher Katalysatoren hinsichtlich
setzung von biogenem Pyrolyseöl in inerter Atmo- Aktivität und Produkteigenschaften bei Hydroproces-
sphäre“, Prof. Kolb sing von Fischer-Tropsch-Wachsen“, Prof. Rauch
■■ Deborah Fröhlich „Einsatz einer optischen Nadelson- ■■ Denis Wiegand „Wirtschaftlichkeitsanalyse einer Wir-
de zur räumlich aufgelösten Messung der lokalen Hy- belschichtvergasungsanlage betrieben mit Biomasse“,
drodynamik in Blasensäulen“, Prof. Kolb Prof. Rauch
■■ Yannick Gahler „Experimente und Modellierung ■■ Henning Rädle „Methodische Untersuchung Petro-
zur Kinetik der Dreiphasen-Methanolsynthese“, chemisch relevanter Parameter von Bioliq® Kraftstof-
Prof. Kolb fen mittels FT-IR-Spektroskopie“, Prof. Rauch
■■ Kevin Loran „Untersuchungen zur ortsaufgelösten
Messung der Brennstoffverteilung im Flugstromverga- 1.4 Laufende wissenschaftliche Arbeiten
ser über Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)“, Prof. Kolb 1.4.1 Arbeitsgruppe „Thermo-chemische Verfahren
■■ Moritz Poßmann „Untersuchungen zur Sekundärpyro- der Brennstoffwandlung“
lyse von biogenem Pyrolyseöl in einem Hochtempe- Thomas Kolb, Fabian Hüsing,
ratur-Fallreaktor“, Prof. Kolb Christoph Schneider, Stella Walker,
■■ Felix Rinkewitz „Räumlich aufgelöste Messung der Sonia Rincón Prat (Gastwissenschaftlerin)
Hydrodynamik in Blasensäulen mittels optischer Na-
delsonde“, Prof. Kolb Im Rahmen der Helmholtz-Programme „Energy Efficien-
■■ Igor Scherbej „Untersuchung des dynamischen Be- cy, Materials and Resources“, EMR und „Erneuerbare Ener-
triebsverhaltens eines katalytischen Reaktors zur Drei- gien“, EE sowie des „Helmholtz Virtual Institute for Gasifi-
phasen-Methanisierung“, Prof. Kolb cation Technology“, HVIGasTech werden Forschungsar-
■■ Josua Bauer „Ausarbeitung und Validierung einer ka- beiten zur Flugstromvergasung von biogenen
talytischen Route für das Upgrading einer biogenen Suspensionsbrennstoffen durchgeführt. Während die an-
Schwerbenzinfraktion“, Prof. Rauch wendungsnahen Forschungsthemen in der Abteilung
■■ Xhesika Koroveshi „Integration of Refineries into the Vergasungstechnologie des Instituts für Technische Che-
Energy Transformation Process: Production of Gasoli- mie, ITC vgt am Campus Nord (CN) des KIT bearbeitet
ne-Components from Synthesis Gas and its Integrati- werden, liegt der Schwerpunkt der Forschung am EBI ceb
on in Existing Refinery-Processes on the Example of auf den Grundlagen der Vergasung von Festbrennstoffen
MiRO”, Prof. Rauch sowie der Umsetzung von Pyrolyseöl.
Die folgenden Studierenden haben am EBI ceb ihre Ba- Kinetik der Feststoffvergasung
chelorarbeit abgeschlossen: Beim Flugstromvergasungsprozess mit einem Suspensi-
■■ Marius Birg „Inbetriebnahme einer Laboranlage zur onsbrennstoff als Einsatzstoff wird der Brennstoff zu-
Untersuchung der Hydrodynamik in Packungskolon- nächst zerstäubt und verdampft. Anschließend durch-
nen“, Prof. Kolb läuft der trockene Koks eine Sekundärpyrolyse unter ho-
■■ Max Christeinicke „Messung von Tropfengrößen und hen Temperaturen und Aufheizraten. Der vorliegende
Tropfengeschwindigkeiten zur atmosphärischen Cha- Sekundärkoks reagiert nun heterogen mit CO2 und H2O.
rakterisierung von Brennerdüsen für Flugstromverga- Diese Reaktionen sind der geschwindigkeitsbestimmen-
ser“, Prof. Kolb de Schritt des Vergasungsprozesses. Für die Ermittlung
■■ Martin Daescu „Experimentelle Untersuchungen zur dieser Vergasungskinetik muss zunächst ein Pyrolysekoks
Hydrodynamik von viskosen Flüssigkeiten in Pa- unter prozessnahen Bedingungen, d. h. hohen Tempera-
ckungskolonnen“, Prof. Kolb turen und Aufheizraten, erzeugt werden. Die Herstellung
■■ Fabian Eckert „Auslegung und Aufbau einer Kolonne dieses Modellbrennstoffes kann am EBI ceb in einem at-
zur Vorsättigung von Gasströmen in Packungskolon- mosphärischen Hochtemperatur-Fallrohrreaktor durch-
nen“, Prof. Kolb geführt werden, der sowohl für die Erzeugung des Pyro-
■■ Jannis Götz „Experimentelle Untersuchung einer 3-flu- lysekokses unter inerten Bedingungen, als auch für die
tigen Zerstäuberdüse“, Prof. Kolb Untersuchung der Kokskinetik bei sehr schnellen Aufheiz-
■■ Tim Kurtz „Experimentelle Untersuchungen an einer raten (104 K/s) verwendet werden kann.
Laboranlage zum Stofftransport von CO2 in Wasser in Zur Untersuchung des Einflusses der Pyrolysebedin-
Packungskolonnen“, Prof. Kolb gungen auf die Sekundärkoks-Eigenschaften (Morpholo-
gwf Gas + Energie 6/2021 59
FACHBERICHTE Forschung und Lehre
gie, Graphitisierung, Aschedispersion) wurden Pyrolyse- stieg der Reaktivität bei 1600 °C konnte durch mikroskopi-
experimente in Fallrohrreaktor zwischen 1000 °C und sche Aufnahmen der Koksoberfläche (REM/TEM) aufge-
1600 °C bei einer konstanten Verweilzeit von 200 ms klärt werden. Die Aufnahmen weisen auf die Bildung
durchgeführt. Die anschließenden Brennstoffcharakteri- eines CaO Films bei 1600 °C hin, der die Vergasungsreakti-
sierungen wurden im Rahmen der Masterarbeit von Frau on mit CO2 selektiv katalysiert und somit die Reaktivität
Stella Walker in Kooperation mit der Technischen Univer- des Sekundärkokses erhöht. Zudem konnte mittels Physi-
sität Luleå (LTU, Schweden) durchgeführt. Bild 1.1 zeigt sorption ein starker Abfall der Mikroporenoberfläche zwi-
die Entwicklung von CaO Dispersion DCaO, Graphitisie- schen 1400 °C und 1600 °C beobachtet werden, der
rung (La La,0-1) und initialer Umsatzrate R0 (Vergasung durch die Bildung des CaO Films und damit einer Blockie-
mit CO2 bei 750 °C in TGA) als Funktion der Pyrolysetem- rung der Poren einhergeht.
peratur TPyr [1]. Um die Auswirkungen der Kokseigenschaften auf die
Zwischen 1000 °C und 1400 °C ist eine lineare Abnah- Heterogenreaktionskinetik zu untersuchen, wurden die
me der initialen Umsatzrate zu beobachten. Gleicherma- bei 1400 °C (P1400) und 1600 °C (P1600) hergestellten
ßen sinkt die Aschedispersion bis 1400 °C. Bei 1600 °C Koksfraktionen im Hochdruck-Einzelpartikelreaktor mit
steigen sowohl Umsatzrate als auch Aschedispersion steil CO2, H2O und in Mischungen aus CO2/H2O umgesetzt.
an. Die Graphitisierung steigt stetig bis zu einer Pyrolyse- Inbetriebnahme und Durchführung von Experimenten
temperatur von 1600 °C. Die Ursache für den starken An- mit CO2 wurden im Rahmen der Masterarbeit von Herrn
Bild 1.1: Einfluss der Pyrolysetemperatur
auf initiale Umsatzrate, CaO Dispersion
und Graphitisierung zwischen 1000 °C
und 1600 °C im Fallrohrreaktor [1]
Bild 1.2 li,re: Modellierung der Vergasungskinetik zweier Biomassekokse (P1400 und P1600) mit CO2, H2O und Mischungen aus CO2/H2O [2]
60 gwf Gas + Energie 6/2021
Forschung und Lehre FACHBERICHTE
Michael Zeller im Jahr 2019 durchgeführt. Eine Fortfüh- [2] Schneider, C.; Zeller, M.; Böhm, D.; Kolb, T. (2021): Influence of pres-
sure on the gasification kinetics of two high-temperature
rung der Arbeiten einschließlich der Experimente in H2O
beech wood chars with CO2, H2O and its mixture. accepted in
und Mischungen aus CO2/H2O fand im Rahmen der Mas- Fuel. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.120523.
terarbeit von Herrn Daniel Böhm im Jahr 2020 statt.
Bild 1.2 zeigt die Reaktionsgeschwindigkeiten beider Se- Thermo-chemische Umsetzung von biogenem
kundärkokse P1400 und P1600 für die verschiedenen Pyrolyseöl
Gasatmosphären. Die aus den Experimenten gewonne- Bei der Umsetzung eines biomassestämmigen Suspensi-
nen Daten wurden über zwei verschiedene reaktionskin- onsbrennstoffs in einem Flugstromvergaser sind ver-
etische Ansätze (Potenzansatz und Langmuir-Hinshel- schiedene parallel ablaufende Prozesse zu beobachten:
wood-Ansatz) modelliert. Die Vergasungsexperimente in nach der anfänglich reinen Verdunstung von flüchtigen
Mischungen aus CO2/H2O wurden mittels einer Addition Substanzen aus dem Pyrolyseöl kommt es bei höheren
der Kinetik für die Einzelatmosphären modelliert. Die Er- Tropfentemperaturen zu Zersetzungsreaktionen in der
gebnisse zeigen, dass die Messwerte der CO2/H2O Verga- Flüssigphase, bei denen neben kurzkettigen, gasförmi-
sung mit P1400 im gesamten Druckbereich mithilfe der gen Kohlenwasserstoffen auch nicht verdampfende
Addition der Kinetik der Einzelatmosphären zufrieden- Komponenten gebildet werden. Diese bleiben zusam-
stellend beschrieben werden können. Somit herrscht men mit den Kokspartikeln als Feststoff zurück.
keine Konkurrenz zwischen CO2 und H2O um aktive Zent- Um die Prozesse in der flüssigen Phase in einer mo-
ren auf der Koksoberfläche. Für die Vergasung von P1600 delltechnischen Beschreibung abbilden zu können, wer-
liefert dieser Ansatz nur im niedrigen Druckbereich eine den experimentelle Untersuchungen zum Umsatzverhal-
gute Abbildung der Messwerte. Für höhere Partialdrücke ten von biogenem Pyrolyseöl in einem Hochtemperatur-
der Eduktgase ist eine Sättigung festzustellen, die auf die Fallrohr unter inerter Atmosphäre durchgeführt. Der
deutlich kleinere spezifische Oberfläche und der stärke- technische Brennstoff wird in einer monodispersen Trop-
ren Graphitisierung der Probe P1600 im Vergleich zu fenkette zusammen mit dem Trägergasstrom aus Stick-
P1400 zurückzuführen ist. Die beiden Eduktgase konkur- stoff in das Reaktionsrohr eingeleitet und bei einer Gas-
rieren somit um die vergleichsweise niedrigere Anzahl temperatur von 1000 °C und einer Verweilzeit von 600 ms
aktiver Zentren, wodurch ein inhibierender Effekt beob- umgesetzt. Der nicht umgesetzte Brennstoff wird als fes-
achtet werden kann. ter Rückstand am Ende des Reaktionsrohrs aufgefangen.
Die gezeigten Ergebnisse sind Teil der Promotions Dabei handelt es sich um feste, kugelförmige Hohlkörper,
arbeit von Herrn Dipl.-Ing. Christoph Schneider. sogenannte Cenosphären. Diese entstehen, wenn
schwersiedende Bestandteile des Pyrolyseöls bei höhe-
Literatur ren Temperaturen in der flüssigen Phase reagieren und
[1] Schneider, C.; Walker, S.; Phounglamcheik, A.; Umeki, K.; Kolb, T. langkettige Moleküle bilden. Bild 1.3 zeigt REM-Aufnah-
(2021): Effect of calcium dispersion and graphitization during
high-temperature pyrolysis of beech wood char on the gasifi-
men dieser Cenosphären. Die Größe dieser Cenosphären
cation rate with CO2. Fuel 283(3), 118826. DOI: 10.1016/j.fu- liegt dabei bei einem Faktor 0,5 und 2 der ursprünglichen
el.2020.118826. Tropfengröße.
Bild 1.3 li, re: REM-Aufnahmen von Feststoffrückstand (Cenosphären) bei der Umsetzung von Pyrolyseöltropfen mit einem Durch-
messer d0 von 363 µm in inerter Stickstoffatmosphäre bei 1000 ºC und 600 ms Verweilzeit
gwf Gas + Energie 6/2021 61
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Experimentelle Untersuchungen aus der Literatur zei- Bei der in Bild 1.4 gezeigten Dreiphasen-Methanisie-
gen unter vergleichbaren Versuchsbedingungen gleich- rungsanlage des EBI ceb handelt es sich um die weltweit
falls die Bildung von Cenosphären. Daraus abgeleitet wird erste Anlage ihrer Art. Bei der Dreiphasen-Methanisie-
ein mehrstufiger Umsatzverlauf, bestehend aus der an- rung wird ein in einer geeigneten Wärmeträger-Flüssig-
fänglichen Verdunstung der Leichtsieder, die mit steigen- keit suspendierter pulverförmiger Katalysator durch von
der Tropfentemperatur zunehmenden Reaktionen der unten in den Reaktor eintretendes Synthesegas aus H2
Schwersieder, die zur Feststoffbildung führen und der und CO2 fluidisiert.
abschließenden Bildung der festen Hohlkörperstruktur. Beim Aufsteigen der Gasblasen im Reaktor reagieren
Gerade im Übergangsbereich zwischen Verdunstung diese zu Wasserdampf und Methan, welches nach der
und Sekundärpyrolyse kommt es zu einer Überlagerung anschließenden Aufbereitung als regenerativer Ersatz für
von chemischen und physikalischen Prozessen, die eine fossiles Erdgas verwendet werden kann. Durch die exzel-
Beschreibung der Vorgänge in einem Modell aktuell lente Durchmischung aller drei Phasen werden Tempera-
noch nicht möglich machen. tur- und Konzentrationsgradienten vermieden und die
Um ein Verständnis für diese parallel ablaufenden stark exotherme Methanisierungsreaktion ist über alle
Schritte zu entwickeln, sind weitere experimentelle Un- Lastbereiche hinweg zuverlässig kontrollierbar, was bei
tersuchungen notwendig. Dabei soll vor allem der Ein- anderen Reaktorkonzepten zur katalytischen Methanisie-
fluss der Gasphasentemperatur, Tropfengröße und Brenn- rung sehr schwierig ist. Neben diesem Hauptvorteil
stoffzusammensetzung auf das Umsatzverhalten erfasst zeichnet sich die Dreiphasen-Methanisierung auch durch
werden. hohe Dynamikfähigkeit und Robustheit aus, und ist daher
Neben der Untersuchung im Hochtemperatur-Fall- besonders für dynamisch betreibbare Power-to-Gas-Pro-
rohrreaktor wird der Ansatz verfolgt, die komplexe Zu- zessketten als wesentliche Bausteine der angestrebten
sammensetzung des Pyrolyseöls durch einen Modell- Energiewende attraktiv.
brennstoff zu simulieren. Die erforderlichen Daten zur In einer der im Jahr 2020 durchgeführten Messkampa-
Beschreibung des Verdunstungs- und Zersetzungsverhal- gnen wurden für das vom BMWi geförderte Projekt „Zel-
tens von Pyrolyseöl werden auf Basis der Siedelinie der lenübergreifende Regionalisierung der Energieversor-
Flüssigkeit entwickelt. Dazu erfolgt eine Auftrennung des gung durch betriebsoptimierte Sektorenkopplung – Re-
technischen Brennstoffs mittels Vakuumdestillation in gEnZell“ experimentelle Daten zum stationären und
den leichtsiedenden und in einen nichtverdampfbaren dynamischen Betriebsverhalten des 3PM-Reaktors be-
Anteil. Mittels Siedelinie des verdampfbaren Anteils wer- stimmt. In Kooperation mit dem KIT Institut für Elektro-
den charakteristische Pyrolyseölkomponenten ausge- energiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) wurde
wählt und in ihrer Zusammensetzung soweit angepasst, hierzu ein Lastenprofil gewählt, welches typischen Tages-
bis die Modellmischung die Siedelinie des leichtsieden- mustern im Stromnetz entspricht. Bild 1.5 zeigt einen
den Anteiles des Pyrolyseöls nachbildet. Durch diesen Ausschnitt der im Realbetrieb dosierten Wasserstoff- und
Ansatz kann das Verdunstungsverhalten des komplexen Kohlenstoffdioxidströme, die Reaktortemperatur und die
Mehrkomponentengemischs mit einer geringen Anzahl heizwertbezogene Methan-Produktionsleistung aus ei-
an Einzelstoffen in einem mathematischen Modell be- ner einwöchigen Versuchskampagne. Ziel der Messreihe
schrieben und experimentelle Untersuchungen mit dem war, die Lastprofile im Stromnetz maßstabsbezogen, di-
Modellbrennstoff zur Validierung des Modellansatzes rekt an die Synthese gekoppelt und ohne ansonsten nöti-
durchgeführt werden. ge Zwischenspeicher in den speicherbaren chemischen
Energieträger Methan umzuwandeln. In den Versuchen
1.4.2 Arbeitsgruppe „Katalytisch-chemische Ver- zeigte sich, dass selbst Lastsprünge von 100 % in weniger
fahren der Brennstoffwandlung“ als einer Minute gefahrlos und mit einer maximalen Tem-
Siegfried Bajohr, Rafael Becka, Mathias Held, Ra- peraturänderung im Reaktor von 10 K durchgeführt wer-
phael Küchlin, Florian Nestler, Simon Sauerschell den können.
Im Rahmen des BMWi-Projektes „MethQuest - Erzeu-
Methanisierung im Dreiphasen-Reaktor gung und Einsatz von Methan aus erneuerbaren Quellen
Die EBI ceb Pilotanlage zur katalytischen Dreiphasen-Me- in mobilen und stationären Anwendungen“ konnte die
thanisierung (3PM) wurde im Jahr 2020 in mehreren Ver- 3PM-Anlage weiter ertüchtigt werden. Begleitende La-
suchskampagnen erfolgreich betrieben. Die Pilotanlage boruntersuchungen und Modellrechnungen am EBI ceb
ist Teil des KIT-Projekts „Energy Lab 2.0“, bei dem mit Mit- wurden durch insgesamt drei Wochen Versuchskampag-
teln aus Bund und Land verschiedene Komponenten zu- ne an der 3PM ergänzt. Da in diesem Projekt auch die
künftiger Energiesysteme im Pilotmaßstab realisiert und Verschaltung mit einer überlastfähigen PEM-Elektrolyse
zu einem Anlagenverbund zusammengefasst werden. untersucht werden sollte, wurde die für 100 kW Methan-
62 gwf Gas + Energie 6/2021
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Bild 1.4: Fotographie der Dreiphasen-Methanisierung am „Energy Bild 1.5: In blau: Reaktortemperatur, Edukt-Volumenströme gestri-
Lab 2.0“ des KIT chelt in Grün: (H2) und in Rot: (CO2), in Schwarz: heizwertbezogene
Methan-Produktionsleistung
leistung ausgelegte Anlage im Rahmen einer Versuchs- vom Katalysator und aus dem Reaktor sowie der Last-
kampagne für mehrere Stunden mit 200 % Auslegungs- wechselfähigkeit gegenüber etablierten Festbettverfah-
last betrieben. Auch unter diesen extremen Bedingun- ren im Vorteil. Dies konnte bereits in dem im Jahr 2019
gen bewährte sich die Dreiphasen-Methanisierung und abgeschlossenen BMBF-Verbundprojekt „OptiMeOH“
es kam lediglich zu geringen Einbußen an erzielbarer nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung der Reakti-
Gasqualität und Umsatz. onskinetik der Dreiphasen-Methanolsynthese wurde je-
Seit Ende 2020 werden Stabilitätsuntersuchungen doch festgestellt, dass eine starke Wechselwirkung zwi-
hinsichtlich der im Reaktor vorliegenden Flüssigphase schen Katalysatoraktivität, Produktzusammensetzung
und des Katalysators durchgeführt, um noch bestehende und der Menge an eingesetztem Wärmeträgerfluid, wel-
Datenlücken zu füllen und die Qualität der Simulations- che durch Verdunstung im Laufe der Versuche leicht ab-
modelle zu erhöhen. Momentan wird ein axiales Dispersi- nimmt, den Verlauf der Reaktion beeinflusst. Vor allem bei
onsmodell zur Beschreibung der Hydrodynamik, der Re- längeren und daher großtechnisch relevanten Versuchs-
aktionstechnik sowie der Stoff- und Wärmetransportvor- zeiten von mehreren Wochen, sowie beim Einsatz von
gänge im Reaktor validiert. Mit diesem Modell kann das CO2 als Kohlenstoffquelle im Eduktgas, tritt diese Wechsel-
dynamische Betriebsverhalten des Reaktors theoretisch wirkung in Form einer starken Abnahme der Menge an
beschrieben und somit ein Scale-Up des Reaktors für in- gebildetem Methanol als Funktion der Versuchszeit auf.
dustrielle Anwendungen durchgeführt werden. Diese Ar- Die systematische Untersuchung und Beschreibung der
beiten sind vor allem Teil des BMBF-geförderten Projektes Wechselwirkungen zwischen Katalysatoraktivität, Pro-
„SEKO - Energiesystemintegration & Sektorenkopplung duktzusammensetzung, CO2-Anteil im Eduktgas, sowie
am Beispiel der Forschungsinfrastrukturen Energy Lab 2.0 der Menge an eingesetztem Wärmeträgerfluid wurden
und Living Lab Energy Campus“. im Jahr 2020 weiter fortgesetzt. Erste Ergebnisse lassen
Die Forschungsarbeiten zur Dreiphasen-Methanisie- den Schluss zu, dass die Menge an eingesetztem Wärme-
rung werden im Rahmen der Promotionsarbeiten von trägerfluid einen untergeordneten Einfluss auf das Reakti-
Herrn M.Sc. Simon Sauerschell und Herrn M.Sc. Mathias onsgeschehen ausübt, da die Ausbeute an produziertem
Held durchgeführt. Methanol während einer Versuchszeit von 312 h nahezu
Null erreichte, in der gleichen Zeit jedoch weniger als 7 %
Methanolsynthese Wärmeträgerfluid ausgetragen wurden. Der Fokus der
Neben den zuvor vorgestellten Arbeiten zur Dreiphasen- Experimente liegt daher nun auf der Quantifizierung der
Methanisierung wurde in 2020 auch die Methanolsynthe- chemischen Wechselwirkung sowohl zwischen Katalysa-
se im Dreiphasenreaktor am EBI ceb weiter untersucht. tor und Wärmeträgerfluid, als auch zwischen Katalysator-
Durch Verlagerung der Reaktion und der damit verbunde- aktivität und CO2-Anteil im Eduktgas.
nen Wärmefreisetzung in die flüssige Phase ist die Drei- Neben den Forschungen zur Dreiphasen-Methanol-
phasen-Methanolsynthese bezüglich der Wärmeabfuhr synthese am EBI besteht eine Kooperation mit dem
gwf Gas + Energie 6/2021 63FACHBERICHTE Forschung und Lehre
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Frei- Einfluss der Stoffeigenschaften hochviskoser Flüs-
burg in Form einer gemeinsam betreuten Promotionsar- sigkeiten auf Hydrodynamik und Stoffübergang in
beit zur Verfahrensentwicklung einer dynamisch betreib- Packungs- und Füllkörperkolonnen
baren Methanolsynthese im Festbettreaktor. Anhand ei- In der thermischen Verfahrenstechnik sind Packungsko-
ner örtlich aufgelösten Temperaturmessung in einer lonnen gängige Apparate zur Intensivierung des Stoff-
Technikums-Methanolsynthese-Apparatur wurde auch transports in Gas/Flüssigkeits-Systemen, z. B. bei der Ab-
hier eine Verringerung der örtlichen Katalysatoraktivität sorption. Dabei wird die Packungskolonne in der Regel
über längere Versuchszeiträume von einigen Wochen bei im Gegenstrom betrieben, wobei das Feedgas im Sumpf
erhöhtem CO2-Anteil im Eduktgas beobachtet, die als der Kolonne eingeführt wird, während die Absorptions-
Folge das Temperaturprofil im Reaktor signifikant ändert. flüssigkeit am Kolonnenkopf über die Packung verteilt
Aufgrund der nachgewiesenen Wechselwirkungen wird. Die Flüssigkeit fließt anschließend in Form von Rie-
zwischen CO2-reichem Synthesegas und Katalysatoraktivi- selfilmen oder in Gestalt von Tropfen gravitationsbedingt
tät in der Zwei- sowie Dreiphasen-Methanolsynthese wird durch die Packung herab. Dabei wird sie mit dem aufstei-
in 2021 am EBI ein Zweiphasen-Zapfstellenreaktor aufge- genden Gasstrom in Kontakt gebracht, wodurch eine
baut, der neben ortsaufgelöster Temperaturmessung Komponente des Feedgases, wie beispielsweise CO2, se-
auch eine ortsaufgelöste Konzentrationsmessung im Re- lektiv in die Waschflüssigkeit absorbiert. Die Packung
aktor erlaubt. Durch Kombination von ortsaufgelöster sorgt hierbei für eine gleichmäßige Verteilung der Flüs-
Temperaturmessung und bzw. Edukt- und Produktkon- sigphase und eine größere effektive Stoffaustauschfläche
zentrationen können lokal ablaufende Reaktionen mit zwischen Gas und Flüssigkeit, wodurch der Stofftransport
Temperaturspitzen und Ad- und Desorptionsvorgängen bei minimalem Druckverlust verbessert werden kann.
identifiziert werden, welche die Aktivitätsänderung des Am Engler-Bunte-Institut wird seit mehreren Jahren
Katalysators begründen und durch konventionelle, integ- ein neuartiges Absorptionsverfahren zur Abtrennung
rale Messungen nicht nachgewiesen werden können. von CO2 aus unterschiedlichen Gasgemischen entwickelt,
Die Forschungsarbeiten zur Methanolsynthese wer- welches den Einsatz von chemisch-funktionalisierten io-
den im Rahmen der Promotionsarbeit von Herrn M.Sc. nischen Waschflüssigkeiten (IL) in einem innovativen Auf-
Rafael Becka am EBI ceb und Herrn M.Sc. Florian Nestler bereitungskonzept vorsieht. Aufgrund des vernachlässig-
am Fraunhofer ISE durchgeführt. baren Dampfdrucks der IL ermöglicht dieses Verfahren
gegenüber herkömmlichen Gaswäschen signifikante
1.4.3 Arbeitsgruppe „Physikalisch-chemische Ver- Energieeinsparungen. Die im Vergleich zu Wasser hohe
fahren der Brennstoffaufbereitung“ Viskosität und niedrige Oberflächenspannung von ILs
Frank Graf, Friedemann Mörs, Tobias Stegmaier führen jedoch zu Stofftransportlimitierungen bei der Ab-
sorption von CO2. Der Stofftransport zwischen Gas und
Brennstoffe müssen für die meisten technischen Anwen- Flüssigkeit innerhalb der Kolonne ist hierbei hauptsäch-
dungen strenge Anforderungen bezüglich Reinheit und lich von den vorliegenden Phasenanteilen der Flüssig-
Zusammensetzung einhalten. Hierzu sind entsprechend phase (Film, Rinnsale, Tropfen) und der sich ausbildenden
energieeffiziente Prozessstufen nötig, die vor allem den Phasengrenzfläche abhängig. In der Literatur finden sich
Reinigungs- und Regenerationsaufwand minimieren. jedoch hauptsächlich Korrelationen, die Wasser als Mo-
Teilweise kann die Brennstoffaufbereitung auch in den dellmedium verwenden (z. B. Billet & Schultes1 oder
eigentlichen Erzeugungs- oder Umwandlungsprozess in- Mackowiak2). Diese sind somit aufgrund der sich stark
tegriert werden und so eine vorteilhafte Kombination unterscheidenden Stoffeigenschaften nicht für ILs zuläs-
aus Erzeugung/Umwandlung und Aufbereitung ermög- sig. Um die Hydrodynamik und den Stofftransport mit IL
lichen. Derzeit werden in der Arbeitsgruppe insbesonde- bei der Absorption von CO2 in ausreichender Güte mo-
re neuartige Konzepte zur Bereitstellung von gasförmi- dellieren zu können, sind somit weitere experimentelle
gen Brennstoffen aus erneuerbaren Quellen wie Bio- Untersuchungen mit höherviskosen Modellmedien not-
methan erforscht und auf ihre Eignung zur wendig.
Prozessoptimierung etablierter Verfahren oder zur Ent- Hierfür werden am EBI ceb im Rahmen des 2018 ge-
wicklung neuer Verfahren hin bewertet. Einen Schwer- starteten BMWi-Leitprojektes „MethQuest“ an einer Ver-
punkt der Forschungsarbeiten stellt die Bereitstellung suchsapparatur im Technikumsmaßstab (siehe Bild 1.6
von CO2 aus unterschiedlichen Quellen für PtX-Prozesse links) experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um
dar. Außerdem werden grundlegende Untersuchungen den Stofftransport bei der Absorption von CO2 mit IL in
zu Hydrodynamik und Stoffübergang in Dreiphasen-Sys-
temen wie Füllkörperkolonnen oder Blasensäulenreakto- 1 Billet, R.; Schultes, M.: Trans IChemE 77 (1999), 498-504.
ren durchgeführt. 2 Mackowiak, J.: Chem. Eng. Research and Design 89 (2011), 1308-1320.
64 gwf Gas + Energie 6/2021Forschung und Lehre FACHBERICHTE
Bild 1.6 li: Die DN250 Absorptions-
kolonne zur Bestimmung der Hydro-
dynamik und des Stoffübergangs in
Packungs- und Füllkörperkolonnen
im Testbetrieb mit Wasser
Bild 1.6 re: Gemessener Hold-Up für
25 mm Pall-Ringe Abhängigkeit von
der Flüssigkeitsbelastung bei einer
Viskosität von 100 mPa·s und Ver-
gleich mit Korrelationen aus der Lite-
ratur
ausreichender Güte modellieren zu können. Dadurch soll zung ist auf den Einfluss von externen Endeffekten zu-
ein allgemein gültiges Stofftransportmodell für viskose rückzuführen. Externe Endeffekte beschreiben den Stoff-
Flüssigkeiten in Packungskolonnen erstellt und validiert übergang ober- und unterhalb der Packung im Inneren
werden, um eine optimale Auslegung bei der Gasaufbe- der Kolonne. Um dies quantifizieren zu können, werden
reitung mit IL zu ermöglichen. Die Anlage w urde gemäß Probeentnahmestellen innerhalb der Packung installiert,
den Vorgaben VDI-Richtlinie 2761 „Thermische Trennver- so dass die Gaszusammensetzung in verschiedenen Hö-
fahren in der Verfahrenstechnik; Messung und Auswer- hen der Packung gemessen werden kann.
tung von Fluiddynamik und Stofftransport in gepackten Des Weiteren wurde der Einfluss der Viskosität auf
Kolonnen“ ausgelegt. An der Anlage kann der Flüssig- den Hold-Up in Packungskolonnen untersucht. Die un-
keitsinhalt der Packung (engl. Hold-Up) in Abhängigkeit tersuchten Viskositäten der Flüssigkeiten befanden sich
von den eintretenden Masseströmen sowohl gravimet- im Bereich von 25 mPa∙s < η < 100 mPa∙s. Die experi-
risch als auch volumetrisch gemessen werden. Außer- mentellen Untersuchungen des Hold-Ups wurden für
dem kann über eine Messung der Gaszusammensetzung eine Schüttung aus 25 mm Pall-Ringen (PP) und einer
am Ein- und Auslass der Kolonne der volumetrische Stoff- strukturierten Packung Mellapak 250 Y durchgeführt.
übergangskoeffizient kLa,eff bestimmt werden. Zusammenfassend konnte die Aussage getroffen wer-
Zur Validierung der Anlage wurden Stofftransport- den, dass auch für höher viskose Flüssigkeiten das Mo-
messungen mit dem Stoffsystem CO2/Luft-Wasser durch- dell nach Billet & Schultes1 den Hold-Up gut beschreibt
geführt. Die Untersuchung über den Einfluss der Flüssig- (vergleiche Bild 1.6 rechts). Die großen Abweichungen
keitsbelastung ergab, dass der flüssigseitige volumetri- bei Stoffübergangskorrelationen für viskose Flüssigkei-
sche Stoffübergangskoeffizient kLa,eff mit zunehmender ten können somit nur zu geringem Teil auf eine falsche
Flüssigkeitsbelastung von 0,007 s-1 bei uL = 25 m∙h-1 auf Abschätzung des Hold-Up zurückgeführt werden. Es
0,027 s-1 bei uL = 97 m∙h-1 zunehmen. Dieser Trend deckt lässt sich eher vermuten, dass die lokale Flüssigkeitsver-
sich mit der Korrelation von Billet und Schultes. teilung und die entsprechend entstehende lokale effek-
Zur Untersuchung des Einflusses der Packungshöhe tive Oberfläche unzureichend beschrieben werden.
auf den flüssigseitigen volumetrischen Stoffübergangs- Dies kann nur durch lokale Stoffübergangsmessungen
koeffizienten wurde die Packungshöhe zwischen 1,00 m in den Packungen oder optischen Messmethoden ge-
und 0,45 m variiert. Die Untersuchung zeigte, dass k La,eff nauer untersucht werden.
mit abnehmender Packungshöhe zunimmt. Mit abneh-
mender Packungshöhe wurde ein annähernd linear zu- Hydrodynamik und Stofftransport in Blasensäulen-
nehmender flüssigseitiger volumetrischer Stoffüber- reaktoren
gangskoeffizient festgestellt. Damit wurde gezeigt, dass In (Suspensions-)Blasensäulenreaktoren wird das gasför-
die Überschätzung des Stoffübergangskoeffizienten mit mige Edukt in eine Flüssigkeit bzw. Suspension disper-
abnehmender Packungshöhe zunimmt. Die Überschät- giert. In Form von Blasen steigt die Gasphase durch die
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Flüssigkeit/Suspension auf. Die zunächst in Ruhe befind- Am EBI ceb wird der Einsatz von Suspensions-Blasen-
liche Suspension/Flüssigphase wird durch die aufstei- säulenreaktoren für die katalytische und biologische
gende Blasenströmung beschleunigt. Dies führt zu einer Methanisierung (PtG) und die Fischer-Tropsch-Synthese
Zirkulation und Durchmischung der Flüssigphase. Diese (PtL) untersucht. Im Rahmen der Energiewende wird
Zirkulation beeinflusst wiederum die Blasenbewegung über diese Verfahren erneuerbarer Strom aus fluktuie-
und somit die Verweilzeit der Gasphase im Reaktor. renden Quellen wie Wind- und Solarenergie in chemi-
Durch den hohen Anteil an Flüssigkeit im Reaktor zeich- sche Energieträger umgewandelt. Wie oben beschrie-
net sich der Blasensäulenreaktor durch seine sehr guten ben, ist der Blasensäulenreaktor ein ideales Reaktorkon-
Wärmetransporteigenschaften aus. Zum einen besteht zept für die lastflexible Fahrweise einer PtG/
ein effektiver Wärmetransport zwischen den im Blasen- PtX-Prozesskette.
säulenreaktor vorliegenden Phasen (Gasphase, Flüssig- Um die genannten Vorteile des Reaktorkonzepts für
keit und Katalysatorpartikel), was lokale Hotspots bei PtG/PtL-Prozesse vollumfänglich zu nutzen, muss eine
stark exothermen Reaktionen verhindert. Zum anderen verlässliche Auslegung von Blasensäulenreaktoren gege-
kann freigesetzte Reaktionswärme sehr gut über die Re- ben sein. Der Blasensäulenreaktor ist hinsichtlich der Re-
aktorwände bzw. Kühlrohre abgeführt werden. Dadurch aktorgestaltung besonders anspruchsvoll, da neben der
ist auch bei einer lastflexiblen Fahrweise mit schnellen chemischen Reaktion auch der Stofftransport und die
Lastwechselraten ein nahezu isothermer Betrieb des Re- Hydrodynamik im Reaktor beachtet werden müssen. Der
aktors gewährleistet. Hierdurch werden eine hohe Kata- Stofftransport umfasst dabei den Stoffübergang inner-
lysatorausnutzung und eine gleichbleibend hohe Pro- halb der Medien als auch den Stofftransport zwischen
duktselektivität erzielt. den Medien und hängt wesentlich von der Hydrodyna-
mik in Blasensäulen ab. Die Hydrodynamik in Blasensäu-
len (siehe Bild 1.7) wird insbesondere durch die folgen-
den Größen beschrieben:
■■ Blasengröße dB
■■ Blasengeschwindigkeit uB
■■ Relativer Gasgehalt εG
Heutzutage basiert die Auslegung von Suspensions-Bla-
sen-Säulenreaktoren in der Regel auf empirischen Korre-
lationen. Die Korrelationen beschreiben insbesondere die
komplexen Zusammenhänge der zuvor aufgeführten
Größen (dB, uB, εG) nur unzureichend. In einem Buchbei-
trag [3] wurde dazu ein Überblick über die physikalischen
Zusammenhänge der Hydrodynamik in Blasensäulen ver-
öffentlicht, auf dessen Basis zur Verfügung stehende Kor-
relationen kritisch bewertet werden können.
Bild 1.7: Hydrodynamik in Blasensäulen im homogenen Strömungsregime: Zum besseren Verständnis der hydrodynamischen
dR = 100 mm, Wasser/Luft Vorgänge und für eine erhöhte Verlässlichkeit der Ausle-
gungskriterien von Blasensäulenreaktoren werden am EBI
ceb die lokalen Vorgänge in Blasenströmungen (z. B. Bla-
senbildung, -koaleszenz und -zerfall) detailliert unter-
sucht. Hierzu werden neben der Messung des integralen
relativen Gasgehalts lokale Messungen der Blasengröße,
der Geschwindigkeit und des Gasgehalts in Blasenströ-
mungen durchgeführt.
Da die optische Zugänglichkeit der Blasenströmung
bei hoher Blasendichte (relativer Gasgehalt εG > 5 - 10 %)
und bei Einsatz von Suspensionen stark eingeschränkt ist,
wird für lokale Messungen in Blasenströmungen eine op-
tische Nadelsonde eingesetzt (Bild 1.8). Die Spitze der
Bild 1.8: Messaufbau zur Messung der hydrodynamischen Größen mit der opti- Nadelsonde besteht aus Glas mit einer konischen Spitze
schen Nadelsonde (dGlas = 125 μm). Über einen Lichtleiter wird Laserlicht in
die Glasspitze eingekoppelt, welches teilweise an der
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