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Zur Bestimmung kinetischer Daten und zur Verbesserung der Reaktionsführung bei heterogen-katalysierten Gas-Flüssig-Reaktionen - Untersuchungen anhand ausgewählter Reaktionen aus der Raffinerietechnik und Petrochemie

Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens soll eine verbesserte Methode zur Bestimmung kinetischer Daten von Mehrphasenreaktionen entwickelt und getestet werden. Dabei soll ein Zweiphasenreaktor (Flüssigkeit und Katalysator) mit einer Vorsättigung der flüssigen Phase (z.B. bei Hydrierungen mit Wasserstoff) eingesetzt werden. Da nur eine fluide Phase vorliegt, wird der Einfluss der Fluiddynamik überschaubar. Da außerdem kein Stofftransport mehr aus der Gasphase in die Flüssigkeit erfolgt, bestimmen neben der chemischen Reaktion 'nur' noch Diffusionsvorgänge in der flüssigen (Kern)Phase bzw. in den Katalysatorproben die (effektive) Reaktionskinetik. Dieses wesentlich einfachere Reaktionssystem kann sehr genau untersucht werden, und zwar unter Bedingungen (Partikelgröße, Fluidgeschwindigkeit), die auch in technischen Reaktoren herrschen. Durch den anschließenden Vergleich mit Untersuchungen in einem Dreiphasenreaktor kann dann der Einfluss der Fluiddynamik und des Stofftransportes Gas/Flüssigkeit besser als mit den oben beschriebenen üblichen Methoden beurteilt werden. Diese Methode bietet sich allerdings nicht nur für kinetische Untersuchungen an, sondern auch für eine verbesserte Reaktionsführung bei Mehrphasenreaktionen. (...) Folgende Reaktionen, die in der chemischen Praxis bisher in Dreiphasen-Festbettreaktoren durchgeführt wurden, sollen näher untersucht werden: Hydrierung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, Entschwefelung von Erdölfraktionen, die Hydrierung von Nitroaromaten, die Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff in höhere Kohlenwasserstoffe wie z.B. Dieselöl durch Fischer-Tropsch-Synthese. Diese Modellsysteme wurden ausgewählt, da sie sich hinsichtlich der Kinetik und der notwendigen Reaktionsführung sehr deutlich unterscheiden. Auf diese Weise soll das Prinzip des Zweiphasenreaktors mit Vorsättigung der flüssigen Phase als Methode für kinetische Untersuchungen und als eine Alternative im Hinblick auf die Reaktionsführung von Mehrphasenreaktoren auf einer möglichst breiten Basis untersucht werden.

Ursachen und Gegenstrategien für Schaumereignisse in Biogasanlagen, Teilvorhaben 2: Einfluss der Prozesstechnik und -parameter auf die Schaumbildung beim lastflexiblen Betrieb zweistufiger Biogasanlagen

Zielsetzung des Teilvorhabens der Universität Hohenheim ist es, mit Hilfe von verfahrenstechnischen Untersuchungen im Labor bzw. im halbtechnischen Maßstab den Einfluss der Prozessparameter Raumbelastung, Verweilzeit und Prozesstemperatur auf die Schaumbildung beim lastflexiblen Betrieb zweiphasiger Biogasanlagen zu ermitteln. Ebenso soll geprüft werden, ob und wie eine veränderte pH-Wert Differenz zwischen der Hydrolysestufe und dem Methanreaktor die Schaumbildung im Methanreaktor beeinflusst. Die Untersuchungen werden an zwei parallel betriebenen, vollständig automatisierten Laboranlagen durchgeführt. An diesen Anlagen ist jeweils ein vollständig durchmischter Reaktor zur Säurebildung (Versäuerungsreaktor, 'Hydrolyse' ausgeführt als CSTR, Volumen 100 L) über eine Feststoff-abscheidung mit einem Festbett-Methanreaktor (Volumen 100 L) verbunden. Die Prozessparameter Temperatur, Raumbelastung und pH-Wert können für beide Reaktoren unabhängig variiert werden. Ergänzende Untersuchungen sind an einer halbtechnischen Anlage vorgesehen, die sich an der Forschungsbiogasanlage 'Unterer Lindenhof' der Universität Hohenheim befindet. In dieser praxisnahen Anlage sollen vergleichende Untersuchungen zur Validierung der Laborergebnisse durchgeführt werden. Zur Überwachung der biologischen Stabilität und der Effizienz des Gärprozesses werden die Zusammensetzung und der Volumenstrom des Produktgases kontinuierlich erfasst. Ebenso werden die pH-Werte der Reaktoren online erfasst und in einer Datenbank gesichert. Proben des Gärsubstrates werden regelmäßig im Labor der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie mit Hilfe eines GC, einer HPLC, eines TC/TOC-Analyzers und einer ICP-MS auf Gärsäuren, Alkohole, organischen Kohlenstoffgehalt und die Konzentration der Mikronährstoffe untersucht. Zudem übernimmt die Universität Hohenheim im Projekt das Forschungsdatenmanagement.

Effiziente, stabile und anwendungsreife Reaktoren für die photoelektrochemische Wasserspaltung auf Basis von nanostrukturierten Absorbern, Teilvorhaben: Fertigungstechnologie für Photoelektroden und solare Wasserstoffmodule

Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll eine Zelltechnologie, die sich durch hohe Effizienz und Stabilität auszeichnet, vom Laboraufbau zu einer Demonstrationsanlage weiterentwickelt werden. Gleichzeitig soll die industrielle Fertigung vorbereitet werden. Ziel ist ein Modul aus mehreren Elektroden mit einer solar-to-hydrogen-Effizienz von mindestens 10 % und einer aktiven Fläche von etwa 100 cm2 pro Elektrode bei mindestens 12 Elektroden pro Modul.

Extraktion von Lithium aus thermalen Solen, Teilvorhaben: Analyse und Optimierung des elektrochemischen Lithiumextraktionsverfahren

Verbesserte Nachhaltigkeit u Energieeffizienz d Salpeterproduktion durch Optimierung d Materialeigenschaften d Katalysators, Reaktors u v Prozessbedingungen - Sustainable Nitrates Production, Teilvorhaben: Neue Katalysatortechnologie für die Ammoniak-Verbrennung u optimierten Bedingungen

Entwicklung eines Bioraffineriekonzeptes zur Onshore Produktion proteinreicher Algenbiomasse unter Verwendung nitrathaltiger Oberflächengewässer, Teilprojekt A

Sicherheitsverhalten von Hochtemperatur-Reaktoren

Die Arbeiten zum Verhalten der Reaktoranlage bei Stoerungen und Systemausfaellen werden fortgefuehrt und vertieft. Aus dem Stoerfallspektrum werden schwerpunktartig transiente Vorgaenge und Nachwaermeabfuhrprobleme sowie die Spaltproduktfreisetzung und -transportmechanismen untersucht. Zur Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeiten von Stoerfaellen werden mit der Methodik der Zuverlaessigkeitsanalyse einzelne Teilsysteme der Reaktoranlage unterrsucht. Dazu werden Stoerfallablaeufe analysiert, Ereignis- und Fehlerbaeume erstellt und Zuverlaessigkeitsdaten der beteiligten Komponenten gesammelt. Rechenprogramme zur Berechnung transienter fluid- und thermodynamischer Zustaende in HTR-Cores und der transienten Freisetzung und des Transportes von Spaltprodukten werden entwickelt.

Reversible metallische Energiespeicher zur nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff

Effiziente, stabile und anwendungsreife Reaktoren für die photoelektrochemische Wasserspaltung auf Basis von nanostrukturierten Absorbern, Teilvorhaben: Photoanoden der zweiten Generation

Wasserstoff soll ein zentrales Element der Energiewende werden. Die Künstliche Photosynthese bietet eine attraktive Möglichkeit, Wasserstoff klimaneutral aus Wasser und Sonnenlicht zu erzeugen. Trotz materialwissenschaftlicher Fortschritte wurde das Verfahren bislang nicht industriell umgesetzt. Eine Analyse des Standes von Wissenschaft und Technik zeigt, dass zentrale Hindernisse auf den Gebieten der Modultechnologie, Industriemesstechnik und Fertigungsverfahren liegen. In diesem Teilprojekt des HZB werden Photoanoden der zweiten Generation unter dem Gesichtspunkt skalierbarer Fertigungsverfahren entwickelt. Diese bestehen aus einem abgestimmten und optimierten System aus Photoabsorber, Katalysator und Passivierungsschicht. Das Ergebnis des HZB fügt sich in das Ziel des Gesamtvorhabens ein, ein photoelektrochemisch arbeitendes Modul mit einer solar-to-hydrogen-Effizienz von mindestens 10 % und einer aktiven Fläche von etwa 100 cm2 pro Elektrode.

Effiziente, stabile und anwendungsreife Reaktoren für die photoelektrochemische Wasserspaltung auf Basis von nanostrukturierten Absorbern, Teilvorhaben: Metrologie für photoelektrochemische Materialien und Module

Wasserstoff soll ein zentrales Element der Energiewende werden. Die Künstliche Photosynthese bietet eine attraktive Möglichkeit, Wasserstoff klimaneutral aus Wasser und Sonnenlicht zu erzeugen. Trotz materialwissenschaftlicher Fortschritte wurde das Verfahren bislang nicht industriell umgesetzt. Eine Analyse des Standes von Wissenschaft und Technik zeigt, dass zentrale Hindernisse auf den Gebieten der Modultechnologie, Industriemesstechnik und Fertigungsverfahren liegen. Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll eine Zelltechnologie, die sich durch hohe Effizienz und Stabilität auszeichnet, vom Laboraufbau zu einer Demonstrationsanlage weiterentwickelt werden (TRL 4 zu TRL 6) . Gleichzeitig soll die industrielle Fertigung vorbereitet werden. Das Projektziel ist ein Modul aus mehreren Elektroden mit einer solar-to-hydrogen-Effizienz von mindestens 10 % und einer aktiven Fläche von etwa 100 cm2 pro Elektrode bei mindestens 12 Elektroden pro Modul. Die Ziele der Arbeiten am Fraunhofer CSP sind die Weiterentwicklung eines Labor-Teststandes sowie die Entwicklung eines einsatzbereiten Freiluft-Messstands für die langfristige Untersuchung der Demonstrationsanlagen unter Anwendungsbedingungen.

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