Dezentrale Synthese strombasierter flüssiger Kraftstoffe über die Fischer-Tropsch Route

Der globale Klimawandel und seine Folgen gefährden die Natur und die Lebensgrundlage der Menschen. Um die Erderwärmung auf 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, muss die Emission von Treibhausgasen, insbesondere CO2, in den nächsten drei Jahrzehnten drastisch reduziert werden und auf lange Sicht eine Treibhausgasneutralität angestrebt werden.
CO2-neutrale synthetische flüssige Kraftstoffe können zur Dekarbonisierung des Verkehrssektor und damit zum Erreichen der Ziele der Energiewende beitragen. Flüssige Kraftstoffe sind gegenüber alternativen Mobilitätskonzepten für den mittelfristigen Einsatz in Bestandsfahrzeugen und, insbesondere aufgrund ihrer hohen volumetrischen Energiedichten, für einen nachhaltigen Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr interessant.
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Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Herstellung von Dieselsubstituenten (Kohlenwasserstoffe der Mitteldestillatfraktion) über die Syntheseroute der Fischer-Tropsch Synthese (FTS) in Kombination mit Hydrocracken (HC). Dieselkraftstoff ist eines der wichtigsten Mineralölprodukte und vorwiegender Kraftstoff im Schwerlastverkehr. Die Syntheseroute auf Basis der FTS ermöglicht die Herstellung eines direkt einsetzbaren Kraftstoffes im Sinne einer Drop-in Lösung.

Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Herstellung von Dieselsubstituenten durch die Kombination bzw. Integration von FTS und HC. Auch wenn die FTS und das HC bereits seit Jahren im industriellen Maßstab entwickelte Verfahren sind, leistet die Arbeit einen Beitrag, konkrete Fragestellungen bezüglich der praktischen und wirtschaftlichen Anwendung beider Reaktionen als Baustein eines sogenannten Power-to-Liquid (PtL)-Prozesses zu klären.
Vor allem aufgrund der lokalen Verfügbarkeit und Volatilität von Strom aus erneuerbaren Energiequellen werden im Rahmen der Energiewende für PtL-Prozesse kleinskalige modulare containerbasierte Anlagen an begünstigten Standorten in einer dezentralen Produktionsstruktur diskutiert. Besondere Anforderungen an den FT/HC-Prozess liegen dabei in der Skalierbarkeit auf unterschiedliche Kapazitäten und der Lastflexibilität. Es müssen kompakte und einfache Prozesse durch Minimierung der Prozessschritte entwickelt werden und gleichzeitig die Prozesseffizienz aufrechterhalten oder sogar verbessert
werden.
Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den experimentellen Untersuchungen der Integration von FTS und HC in mikrostrukturierten Reaktoren ausgehend von Synthesegas. Ein zusätzlicher Aspekt ist die Untersuchung der direkten CO2-Aktivierung bei der FTS, um den Gesamtprozess weiter zu verschlanken. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung der FTS und des HC sowie weiteren ausgewählten Prozessschritten des PtL-Prozesses. Die mathematischen Modelle sollen dabei durch die experimentellen Daten validiert werden. Im Anschluss an die Modellierung der einzelnen Prozesseinheiten wird eine Prozesssimulation des PtL-Prozesses durchgeführt. Abschließend sollen Gestaltungsrichtlinien für die Integration der FTS und des HC auf Reaktorebene sowie für den PtL-Prozess abgeleitet werden.

Global climate change and its consequences threaten both human livelihoods and the environment on our planet. In order to limit global warming to 1.5 °C compared to pre-industrial level, emission of greenhouse gases, in particular CO2, must be drastically reduced within the next three decades and brought down to virtually zero in the long run.
CO2-neutral synthetic liquid fuels support defossilization of the transport sector, contributing to achieve the ambitious aim of the ‘Energiewende‘ (transformation of the energy sector). Compared to other mobility concepts, liquid fuels are interesting for medium-term use in road vehicles currently in circulation, and as a sustainable solution for heavy-duty, shipping and air traffic due to their high volumetric energy densities. ... mehrIn particular, heavy-duty traffic heavily relies on diesel fuel.
The thesis focuses on producing diesel substituents (middle distillates) by combining Fischer-Tropsch Synthesis (FTS) and Hydrocracking (HC). The synthesis route based on FTS allows the production of fuel for direct use in terms of a drop-in solution.

The thesis aims to explore the possibility of producing diesel substituents by combining or integrating FTS and HC. Even though FTS and HC have been in use on an industrial scale for many years, the thesis seeks to clarify specific questions regarding the practical and economic implication of applying both reactions as a component of a Power-to-Liquid (PtL)-process.
Electricity from renewable energy is characterized by local availability and volatility. In the context of the ‘Energiewende‘ discussions of the PtL-process revolve small-scale modular container-based plants at favored locations within a decentralized production structure. Resulting special requirements for the FT/HC-process are scalability to different capacities and load flexibility. Compact and simple processes must be developed by minimizing process steps while maintaining or even improving process efficiency.
The thesis focuses on experimental investigations of integrating FTS and HC in microstructured reactors starting from syngas. In addition, the direct CO2 activation in FTS is explored. Another focus of the thesis is modeling of FTS and HC as well as other selected process steps of the PtL-process. The mathematical models are validated by experimental data. Based on the modeling of individual process units a process simulation of the PtL-process is carried out. Finally, guidelines for the design of integrating FTS and HC at reactor level as well as for the PtL-process based on FTS are derived.