IMOKAT II - Entwicklung eines innovativen Methanoxidationskatalysators zur Senkung der Abgasemissionen von Großmotoren für maritime und stationäre Anwendungen im Gasbetrieb

Abstract

Die Reduktion von Treibhausgas-Emissionen ist dringend notwendig, um den Klimawandel und die damit einhergehenden Folgen abzumildern. Auch vom maritimen Sektor wird gefordert Treibhausgas-Emissionen in den kommenden Jahren signifikant zu reduzieren. Ein Wechsel von Dieselmotoren zu Gasmotoren oder Dual-Fuel-Motoren ist zielführend, da sich allein aufgrund des besseren Kohlenstoff zu Wasserstoff Verhältnisses im Flüssiggas die CO2-Emissionen bei der Verwendung von Gasmotoren um etwa 20 % verringern lassen. Allerdings enthält das Abgas solcher Gasmotoren das Treibhausgas Methan. Die Methanemissionen, die durch unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs auftreten müssen vermindert werden. Zur Oxidation von Methan sind heutzutage typischerweise edelmetallhaltige Katalysatoren bekannt. Diese Katalysatoren erreichen im frischen Zustand zwar hohe Methanumsätze, die Deaktivierung u.a. durch geringe Mengen an schwefelhaltigen Verbindungen ist jedoch ein bislang nicht gelöstes Problem. Außerdem sind die Katalysatoren aufgrund der hohen Edelmetallgehalte sehr teuer. Im Projekt IMOKAT II soll der in IMOKAT I entwickelte edelmetallfreie Methankatalysator weiter optimiert werden. Die Herstellung des Katalysators soll industrialisiert werden. Außerdem soll die Integration an einem seriennahen Großmotor erfolgen. Bei der Umsetzung des Projekts waren neben der Interkat Catalyst GmbH auch MAN Energy Solutions sowie die TU München beteiligt. Die Aufgaben bei Interkat waren:

Optimierung des Katalysators Entwicklung eines Beschichtungsprozesses Fertigung von Katalysatoren für Motorprüfstandsversuche bei MAN Energy Solutions Die Optimierung des Katalysators beinhaltete ein Screening verschiedener Materialien, sowie die Optimierung der Washcoatzusammensetzung. Es wurden zunächst mit vorläufigen Washcoats zylindrische 1 Zoll x 3 Zoll Kerne im Labor beschichtet und am Synthesegasteststand vermessen. Anhand der gemessenen Methanaktivitäten wurden die vielversprechendsten Washcoats für die Beschichtung größerer Keramiksubstrate (zylindrisch, 4,6 Zoll x 3 Zoll, 400 cpsi) ausgewählt. Bevor diese Substrate beschichtet werden konnten, wurde der Washcoats weiter verbessert. Darüber hinaus wurden verschiedene Bindertypen und -mengen erprobt, welche die Haftung auf dem Träger verbessern. Die vielversprechendsten Katalysatoren wurden bei MAN am Synthesegasteststand vermessen. Hierbei wurden neben der Methanaktivität auch die Aktivität in der Oxidation von CO und Formaldehyd sowie die Schwefelbeständigkeit und die hydrothermale Stabilität überprüft. Schließlich wurde eine Washcoatformulierung ausgewählt. Mit dieser finalen Washcoatformulierung wurden bei Interkat weitere Beschichtungsversuche durchgeführt und der Beschichtungsprozess optimiert. Außerdem wurde die optimale Washcoatbeladung ermittelt. Im Hot-shake-Test konnte gezeigt werden, dass die Haftung des Washcoats auch bei hohen Temperaturen und hohen Beschleunigungen über viele Stunden gewährleistet ist. Die Washcoatherstellung und Beschichtung wurde erfolgreich vom Labormaßstab in den Produktionsmaßstab übertragen. Für Motorprüfstandsversuche bei MAN wurden 20 Katalysatoren im Maßstab 13 Zoll x 8 Zoll gefertigt.

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