Investigation of the reverse-water-gas-shift reaction on a nickel-based catalyst

Die Optimierung der Reverse-Wasser-Gas-Shift-Reaktion (rWGS) ist entscheidend für die Effizienzsteigerung von Power-to-Liquid (PtL)-Prozessen, in denen CO2 and H2 in synthetische Kohlenwasserstoffprodukte zur Substitution fossiler Rohstoffe umgewandelt werden. Der rWGS-Schritt stellt einen limitierenden Faktor für die wirtschaftliche Realisierbarkeit von PtL-Prozessen dar, während die nachgeschaltete Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) eine etablierte Technologie ist. Aufgrund ihres endothermen Charakters wird die rWGS-Reaktion typischerweise bei hohen Temperaturen (700-950 °C) und niedrigen Drücken betrieben. Hohe Betriebsdrücke (20-25 bara) würden die nachgelagerte Kompressionsarbeit für die FTS-Einheit zwar reduzieren, gleichzeitig jedoch die Methanbildung begünstigen, was es erschwert, eine maximale CO-Ausbeute mit hoher Energieeffizienz in Einklang zu bringen. In dieser Studie wird die Rolle der rWGS innerhalb einer PtL-Prozesskette durch Vergleich verschiedener simulationsbasierter Studien analysiert, um Optimierungspotenziale zu identifizieren. Experimentelle Untersuchungen wurden mit einem kommerziellen nickelbasierten Katalysator durchgeführt, um die Leistung der rWGS sowohl bei hohen (950 °C) als auch bei niedrigen Temperaturen (550 °C) zu bewerten. Der Effekt von zusätzlichem Wasserdampf wurde ebenfalls als Strategie zur Leistungssteigerung bei niedrigen Temperaturen untersucht. In der Literaturrecherche wurden zentrale Herausforderungen für die Effizienzsteigerung von PtL-Prozessen identifiziert, insbesondere hinsichtlich der Integration von Recycleströmen sowie der Reaktions- und Abwärme. Die Festlegung optimaler rWGS-Betriebsbedingungen (Temperatur und Druck) erweist sich als kritisch, da diese je nach Prozessdesign stark variieren. Die experimentellen Ergebnisse bei 950 °C und 6 bara mit H2:CO2 Verhältnissen von 1,3 und 2,5 zeigten, dass das thermodynamische Gleichgewicht mit nahezu vollständiger CO-Selektivität ohne Methanbildung erreicht werden kann – selbst wenn auf die Voraktivierung des Katalysators verzichtet wird. Bei 550 °C und 8 bara führte die Zugabe von Wasserdampf zur Unterdrückung der Methanbildung jedoch zu geringerem CO2-Umsatz und CO-Ausbeute, weshalb kein Nutzen zur Verbesserung der rWGS unter diesen Bedingungen ableitbar ist. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die rWGS bei hohen Temperaturen effektiv für die Synthesegasherstellung in PtL-Systemen betrieben werden kann. Energieeinsparungen durch niedrigere Temperaturen und höhere Drücke erfordern jedoch alternative Prozessstrategien oder Katalysatoren mit verbesserter rWGS-Aktivität unter diesen Bedingungen.