Reaktionstechnik (INW-3)

Chemische Energiespeicherung mit Fokus auf Reaktortechnologie

Der Bereich 3 „Reaktionstechnik“ des INW beschäftigt sich mit der Skala der Hydrier- und Dehydrierapparate. In diesem Bereich sind durch Optimierung von Wärmemanagement und Hydrodynamik noch gewaltige Potenziale zur Steigerung der volumetrischen Produktivität zu heben, was insbesondere für alle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Leistungsdichte erfolgskritisch ist. Optimierungswerkzeuge sind reaktionstechnische und strömungsmechanische Modelle und daraus abgeleitete Reaktoreinbauten, katalytisch aktivierte Strukturelemente zur Strömungsführung, Dosierkonzepte, Ansätze zum Wasserstoffentzug aus dem Reaktor (z. B. Membranreaktoren) sowie Methoden zur Verbesserung des Wärmeeintrags (z. B. Kondensationsreaktor, Optimierung des Wärmeübergangs von den Beheizungselementen auf das Reaktionsgemisch).

Die Verbesserung des Wärmeeintrags (Wasserstofffreisetzung) bzw. der Wärmeabfuhr (Wasserstoffeinspeicherung) stellt zudem sicher, dass im Reaktor an keiner Stelle kritische Temperaturen überschritten werden, über denen die Degradation des Katalysators oder eventuell vorhandener organischer Speichermoleküle stark zunimmt. Insofern leistet die Optimierung des Wärmemanagements im Reaktor einen wichtigen Beitrag, um die Lebensdauer der Katalysatoren und Speichermoleküle in den jeweiligen Verfahren stark zu erhöhen und auf diese Weise kostenträchtige Regenerations-, Reinigungs- und Recyclierungsbedarfe zu reduzieren.

Die Fertigung der reaktionstechnisch und strömungstechnisch optimierten Reaktorelemente soll bevorzugt durch additive Verfahren erfolgen, weil dies eine maximale geometrische und konzeptionelle Gestaltungsfreiheit erlaubt. Bei der additiven Fertigung von katalytisch aktivierten, strukturierten Reaktoren wird allerdings nicht das gesamte Reaktorelement aus dem teuren Katalysatormaterial gefertigt, da hierbei die Kosten unrealistisch hoch wären. Stattdessen wird von gut wärmeleitenden, kostengünstigen Metallstrukturen ausgegangen, die durch additive Fertigungsverfahren mit hydrodynamisch optimierter Struktur hergestellt werden. Die Oberfläche dieser Strukturen wird im Anschluss in mehreren Prozessschritten katalytisch aktiviert. Typischerweise erfolgt dies durch die Beschichtung der metallischen Struktur mit einer hochporösen Katalysatorträgerschicht, z. B. aus Aluminiumoxid. Auf diese Trägerschicht wird anschließend durch Imprägnierverfahren die katalytisch aktive Komponente gezielt und mit höchster Ausnutzung der teuren Edelmetallkomponenten aufgebracht. Kalzinierung und Aktivierung der Katalysatorbeschichtung schließen die Fertigung solcher additiv gefertigten, strukturierten Reaktorelemente ab.