Projektbeschreibung

Angesichts des zunehmenden Ausbaus erneuerbarer Energien entsteht eine geografische sowie zeitliche Diskrepanz zwischen Stromproduktion und -nachfrage. Der „Power-to-Methane“ (PtM)-Prozess stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um diese Lücke zu schließen: Überschüssiger, kostengünstiger Strom aus erneuerbaren Quellen wird in synthetisches Methan umgewandelt, das langfristig im Erdgasnetz gespeichert oder flexibel eingesetzt werden kann.

Der PtM-Prozess gliedert sich in zwei wesentliche Schritte. Zunächst wird mittels Elektrolyse aus Wasser und erneuerbarem Strom Wasserstoff erzeugt. Im Anschluss folgt die stark exotherme Methanisierung, bei der abgeschiedenes CO₂ mit Wasserstoff heterogen katalysiert zu Methan reagiert. Die dynamische Betriebsweise mit häufigen Lastwechseln und vor allem die intensive Exothermie stellen hierbei große Herausforderungen für eine optimale Reaktionsführung dar.

Mikrostrukturierte, verdampfungsgekühlte Reaktoren bieten in diesem Kontext einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Festbettreaktoren bieten sie verbesserte Wärme- und Stoffübertragung, eine präzisere Temperaturkontrolle sowie eine kompakte und modulare Bauweise. Dabei wird die hohe Verdampfungsenthalpie von Wasser genutzt, um überschüssige Wärme effizient abzuführen – der entstehende Dampf kann beispielsweise als Eingangsstrom für die Elektrolyse dienen und so den Gesamtwirkungsgrad des Prozesses steigern.

Obwohl die Reaktionsseite in zahlreichen vorangegangenen Studien experimentell und simulativ untersucht wurde, ist das Zusammenspiel von Reaktion und Verdampfungskühlung im Gesamtprozess bislang wenig verstanden. Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht daher die numerische Simulation und Optimierung des dynamischen Zusammenspiels von Reaktionskinetik, Wärmeübertragung und Phasenwechselprozessen in verdampfungsgekühlten Mikrosystemen. Hierzu werden partikelaufgelöste Modelle der Reaktionsseite entwickelt und mit den komplexen Phasenwechselmechanismen der Kühlseite gekoppelt.
Das Forschungsvorhaben ist Teil des Programms MTET (https://www.mtet.kit.edu/index.php, https://www.helmholtz.de/forschung/forschungsbereiche/energie/energy-research-field/materials-and-technologies-for-the-energy-transition-mtet/).

Weitere Details und Möglichkeiten für Bachelor/Masterarbeiten können gerne in einem individuellen Gespräch besprochen werden. Einfach Kontakt aufnehmen mit Alexander Schulz.