Das NanoMem-Projekt zielt auf die Entwicklung poröser Gastrennmembranen zur Rückgewinnung von Wasserstoff, der in Erdgas für den Transport und die Speicherung eingeleitet wird, und zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasemissionen der Zementindustrie, beides bei niedrigen Temperaturen. Die idealen Membranen sollten so dünn wie möglich sein, um den Gasfluss zu maximieren, mechanisch robust sein, damit sie nicht reißen, und eine gut definierte Porengröße haben, um eine hohe Trennleistung zu erzielen. Die derzeitigen Membranen erfüllen nicht alle diese Anforderungen. Kürzlich wurden metallorganische Rahmen und "Nanoblätter" auf Zeolithbasis als eine der vielversprechendsten Lösungen entdeckt. Aufgrund ihrer gut definierten Poren in der Ebene können nur bestimmte Gase in diese subnanometergroßen Schichten eindringen. Die Herstellung solcher Membranen mit einer homogenen Mikrostruktur auf porösen keramischen Trägern bleibt jedoch eine Herausforderung. Unser Ziel in diesem Projekt ist es daher, neuartige, robuste und leicht skalierbare Methoden für die Herstellung solcher Membranen zu entwickeln. https://www.werkstofftechnologien.de/projekte/nachwuchsfoerderung/nachwuchsgruppen-energietechnik/dr-marie-alix-pizzoccaro-zilamy-nanomem

In der EU entfallen jeweils etwa ein Drittel aller CO₂-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe auf den Verkehr und die Stromerzeugung, während sich die derzeitigen Dekarbonisierungsmaßnahmen hauptsächlich auf zwei Alternativen konzentrieren: Elektrifizierung und Brennstoffwechsel. Diese sind jedoch für Sektoren wie Transport oder die dezentrale Energieerzeugung nicht geeignet, u. a. aufgrund von Nutzlast, Autonomie und/oder Anforderungen an die Brennstoffversorgung. Tatsächlich sind diese Sektoren für 94 % ihres Energiebedarfs immer noch auf fossile Brennstoffe angewiesen, was eine der größten Herausforderungen bei der Erfüllung der Ziele des Pariser Klimaschutzabkommens darstellt. Diese Sektoren benötigen ein System, das es ermöglicht, die Vorteile der Verwendung flüssiger Brennstoffe zu nutzen, wie hohe Energiedichte, schnelle Betankung und einfacher Transport, aber unter Umgehung der Effizienzbeschränkungen und Eliminierung von CO₂-Emissionen. Zusätzlich muss kurz- bis mittelfristig eine wirksame Lösung gefunden werden, um der alarmierenden Zunahme der Treibhausgasemissionen und dem Anstieg der globalen Temperatur entgegenzuwirken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung nicht auf den Bau neuer Infrastruktur angewiesen zu sein, sondern die bestehende für den Transport, die Lagerung und die Versorgung mit flüssigen Brennstoffen nutzen zu können. Das Hauptziel von ALL-IN Zero ist die Entwicklung eines Multi-Brennstoff-Systems zur Erzeugung elektrischer und mechanischer Leistung mit null Emissionen. Dieses System wird kohlenstoffarme, kohlenstofffreie oder kohlenstoffnegative Brennstoffe wie Ammoniak, Erdgas, Biogas oder Alkohole in einen Kompaktmembranreaktor einspeisen, der einen gemeinsamen temporären Energievektor erzeugt, der an Ort und Stelle von Stromerzeugungssystemen wie internen Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen verbraucht werden kann. ALL-IN Zero wird die Dekarbonisierung früher als andere Technologien beschleunigen, indem vorhandene Produktions- und Lieferketten, SoA-Technologien sowie vor- und nachgelagerte Verfahren für mobile und stationäre Lösungen genutzt werden.

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Um den weltweit stetig steigenden Bedarf an Energie- und Sachgütern nachhaltig zu decken, bedarf es in der Kraftstoff- und Chemieindustrie der Nutzung erneuerbarer Ressourcen. Dies wird von wesentlicher Bedeutung sein, um die herausragende Stellung der europäischen Chemieindustrie zu erhalten und die ehrgeizigen EU-Ziele für 2030 in den Bereichen Klimawandel, Prozesseffizienz und Sicherheit zu erreichen. 46 und 36 % des Energieverbrauchs in Deutschland bzw. den Niederlanden ist auf die Industrie zurückzuführen. Die Verbesserung der industriellen Energieeffizienz ist daher eine wichtige Aufgabe der Forschung. Das Projekt „Amazing“ greift mehrere Förderprioritäten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie direkt auf. Im Mittelpunkt stehen die sektorspezifische energetische Optimierung bestehender Industrieprozesse sowie die effiziente Nutzung von Sekundärenergieformen und der Austausch fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energieträger. Die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in der chemischen Industrie (Power to Chemicals) ist jedoch nicht einfach, da der überwiegende Teil der für die Durchführung der chemischen Reaktionen benötigten Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Der Ersatz großtechnischer Hochtemperatur-Crackingprozesse durch eine elektrisch getriebene thermokatalytische Aktivierung von Alkanen zur Herstellung chemischer Bausteine (z.B. Alkene) ist ein vielversprechender Weg zur Reduktion der CO₂-Emissionen. Eine Alternative zum energieintensiven Standardprozeß besteht darin, gemischt ionisch-elektronisch leitende (MIEC) Membranen mit metallgetragenen Katalysatoren zu kombinieren. Im Projekt Amazing streben wir die Entwicklung von additiven Fertigungstechnologien wie 3D-Druck an, um selbsttragende katalytische Membranreaktorsysteme zu entwickeln, die das volle Potenzial der RDH-Membranreaktoren ausschöpfen. Die angewandten additiven Fertigungswege versprechen ein einfaches Upscaling auf vollständige kommerzielle Systeme.

Ziel ist mittels additiver Fertigung eine Membrankomponente herzustellen, die eine optimierte Gasdurchströmung gewährleistet und wenige, gut definierte Fügestellen besitzt. Die Anbindung von Zuleitungen an die Komponente wird ebenfalls realisiert. Das entwickelte Produkt wird an Hand seiner Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Abtrennung von reinem Sauerstoff aus der Luft quantitativ bewertet. In der Folge steht das Produkt für die akademische und/oder industrielle Forschung an Membranreaktoren zur Verfügung.

Im Rahmen des Projekts soll ein elektrochemischer Membranreaktor entwickelt werden, der bei mittlerer oder hoher Temperatur mit co-ionischen (H⁺ und O₂-) keramischen Leitern (ci-EMRs) die H₂O/CO₂ co-Elektrolyse zur effizienten Umwandung/Speicherung von erneuerbaren Energie in synthetische Kraftstoffe vollzieht. Hauptaugenmerk wird auf den Temperaturbereich von 400-500°C gelegt, in dem aus der anionischen Elektrolyse von H₂O zu H⁺ und der Umwandlung von CO₂ auf der anderen Membranseite, Chemikalien/Energieträger wie Methanol, Methan, oder bei darüber liegenden Temperaturen Synthesegas entstehen. Als Funktionsschicht dient eine 10-40 µm Dicke, keramische protonenleitende Membran die bei höheren Temperaturen H+ durch das Gitter transportiert. Auf deutscher Seite wird der Fokus auf der Entwicklung der Membranstrukturen, sowie der Entwicklung verbesserter protonenleitender keramischer Materialien und geeigneter Ausgangspulver liegen. Der Hauptschwerpunkt wird auf die Herstellung der keramischen Membranstruktur mittels 3D Druck gelegt. Diese Technologie ist für die notwendigen, hochkomplexen Keramiken keineswegs Stand der Technik, verspricht aber ein enormes Potential hinsichtlich kostengünstiger Einstellung einer optimalen Mikrostruktur. Zu Vergleichszwecken werden Strukturen mittels sequentiellen Folienguss hergestellt. Die griechische Seite wird den Prozessverfahrenstechnik und die anwendungsnahe, elektrochemische Charakterisierung im Projekt bearbeiten. Durch dieses Projekt wird die Problematik der Energiespeicherung bei einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien im deutschen Energiesystem (Energiewende) aufgegriffen. Ziel ist die Entwicklung von alternativen und effizienten Prozessen zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen. Im Erfolgsfall sind die Verfahren aber auch für die Herstellung von wichtigen Basischemikalien hoch innovativ. Die Projektthematik beinhaltet einige Risiken und wird deshalb noch nicht im großen Maße von der Industrie verfolgt.

Forschungszentrum Jülich - Pressemitteilungen - Synthetische Kraftstoffe: 3D-Druck soll Effizienz steigern und Kosten senken (fz-juelich.de)

Ziel dieses Projektes ist es, die Ursache für die signifikante Permeationsrate bei niedrigen Elektronenleiter-Anteilen in CGO-basierten Kompositmembranen mit Spinellen als elektronenleitender Phase zu identifizieren und das so gewonnene umfassende Verständnis der physikalischen Eigenschaften zu nutzen, so dass die ambipolare Leitfähigkeit (und damit die Permeabilität) dieses Materialsystems maximiert werden kann. Als Ursache gehen wir von Korngrenzphasen bzw. positiv wirkenden Raumladungszonen an Phasengrenzen aus. Der Erfolg der Materialentwicklung wird in einem Membranreaktor sowohl an Tabletten als auch an dünnen, geträgerten Membranschichten mit katalytisch aktiven Oberflächenschichten in Abhängigkeit von Temperatur und pO2-Gradienten (Triebkraft) überprüft.