title: Experimentelle Untersuchung von strukturierten Ni-TiO2 Katalysatoren für Power-to-Methan Anwendungen
title: nix
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Heupel, Alwin
Publisher: name: Universitätsbibliothek Siegen
Year: 2022
Subjects: subject: Power-to-Methan
subject: Chemische Energiespeicherung
subject: CO2-Methanisierung

description: Die thermo-katalytische Methanisierung von Wasserstoff und Kohlendioxid als langfristige und großtechnische Speichermöglichkeit für erneuerbaren Strom und als Mittel zur Dekarbonisierung hat in den letzten Jahren eine gewisse technologische Reife erreicht. Herausforderungen sind die Integration der Technologie in bestehende Produktionsnetzwerke und die Kontrolle der exothermen Reaktion bei dynamischen Betriebsbedingungen. Die Schlüsselkomponente von solchen Anlagen ist nach wie vor der Katalysator. In technisch relevanten Systemen werden kontinuierlich betriebene Festbettreaktoren mit nickelbasierten Schüttschicht-Katalysatoren eingesetzt. Diese werden aufgrund der Wärmeentwicklung oft unter reaktionskinetisch ungünstigen Bedingungen in einem schmalen Betriebsbereich betrieben. Eine vielversprechende Alternative zur Steigerung der Effizienz des Wärme- und Stofftransports bieten strukturierte Katalysatoren. Offenzellige Schaumkeramiken mit einer hochporösen, netzartigen Struktur werden seit vielen Jahren als Katalysatorträger diskutiert und untersucht. Entscheidend für die Ausnutzung des Steigerungspotentials sind die Wechselwirkungen zwischen der Trägerstruktur und einer porösen Katalysatorschicht. Durch die gezielte Anpassung der Geometrie der Träger kann die Katalysatordichte im Reaktorvolumen optimiert und wärmetechnisch vorteilhafte Katalysatorpackungen hergestellt werden. In dieser Arbeit werden robuste Träger-Katalysator-Kombinationen auf Basis von offenzelligen Schaumkeramikträgern aus Titandioxid und Siliziumcarbid sowie mikrostrukturierten Ni-TiO2 Katalysatoren entwickelt und auf die dynamische Methanisierung im Technikumsmaßstab übertragen. Die Herstellung der porösen Katalysatorschicht wird mithilfe eines skalierbaren Sol-Gel-Verfahrens durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Träger mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf Siliziumcarbid-Basis mit großen Poren und vergleichsweise geringer spezifischer Oberfläche in Kombination mit einem Mischoxidkatalysator aus Nickeloxid (NiO) und Nickeltitanat (NiTiO3) einen sicheren und stabilen Betrieb ermöglichen. Trotz einer geringen spezifischen Oberfläche von ≤ 3 m2/gKat und einer großen mittleren Kristallitgröße von rund 30 nm weißt der Katalysator einen hohen Porennutzungsgrad im untersuchten Betriebsbereich auf. Das Aktivmaterial ist über mindestens 120 Stunden langzeitstabil und erzielt über einen breiten Betriebsbereich Methan-Produktivitäten nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht bei hohen Zündtemperaturen von 400 °C, Umgebungsdruck und einem unverdünnten, stöchiometrischen Eduktgemisch. Unter dynamischen Bedingungen ist ein sicherer und ökonomischer Betrieb möglich. Die vorgestellten Ansätze und Ergebnisse bieten eine gute Grundlage für die weitere Etablierung von strukturierten Katalysatoren für die dynamische Methanisierung in realen Produktionsnetzwerken und die weitere Erforschung von detaillierten Wärme- und Stofftransportmechanismen durch fortgeschrittene, optische in-situ Messmethoden.
description: The thermo-catalytic methanation of hydrogen and carbon dioxide as a long-term and large-scale storage option for renewable electricity and as a tool for decarbonization has reached a certain technological maturity. Challenges are the integration of the technology into existing production networks and the control of the exothermic reaction under dynamic operating conditions. The key component of such methanation plants is still the catalyst. In technically relevant systems for methanation, fixed-bed reactors with nickel-based packed-bed catalysts are mostly used in continuous operation today. These are often operated under reaction-kinetic unfavorable conditions in a narrow operating range. Structured catalysts offer a promising alternative for increasing the efficiency of heat and mass transfer. Ceramic open-cell foams with a highly porous, net-shaped structure have been discussed and investigated as catalyst supports for many years. The interactions between the support structure and a porous catalyst layer are crucial for exploiting the increase potential. By adapting the geometry of the supports, the catalyst density in the reactor volume can be tuned and thermally advantageous catalyst packings can be produced. In this study, robust support-catalyst combinations based on ceramic open-cell foam supports of titanium dioxide as well as silicon carbide and micro-structured Ni-TiO2 catalysts are developed and transferred to pilot-scale dynamic methanation. The preparation of the porous catalyst layer is carried out using a scalable sol-gel process. The experimental results show that silicon-carbide- based supports with high thermal conductivity, large pores and comparatively low specific surface area in combination with a mixed oxide catalyst of nickel oxide (NiO) and nickel titanate (NiTiO3) enable safe and stable operation. Despite a low specific surface area of ≤ 3 m2/gcat and a large average crystallite size of about 30 nm, the catalyst exhibits a high degree of pore effectivity in the investigated operating range. The active material is long-term stable for at least 120 hours and achieves methane productivities close to thermodynamic equilibrium over a wide operating range at high ignition temperatures of 400 °C, ambient pressure and an undiluted stoichiometric reactant mixture. Under dynamic conditions, safe and economical operation is possible. The presented approaches and results provide a good basis for the further establishment of structured catalysts for dynamic methanation in real production networks and the further exploration of detailed heat and mass transfer mechanisms by advanced, optical in-situ measurement methods.