Rasante Abkühlung eines Reaktors
Forscher weltweit arbeiten mit Hochdruck daran, das Power-to-Gas-Konzept energiewirtschaftlich relevant und einfach zu gestalten. Federführend ist seit rund sieben Jahren das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme (www.mpi-magdeburg.mpg.de) in Magdeburg. Für die Arbeiten wird eine Pilotanlage – eine Wärmeübertragungsanlage des Typs „ITH 350“ des Temperiergeräteherstellers Lauda (www.lauda.de) – zur Temperierung eines Reaktors eingesetzt, die nach spezifischen Kundenwünschen maßgeschneidert entwickelt wurde.
Die Anlage muss eine Kühlung von 100 K/min leisten können, ohne im Endpunkt zu unterschwingen, also rasch herunterkühlen, aber keinen bestimmten Temperaturpunkt unterschreiten, um den eigentlichen Prozess nicht zu gefährden. Eine Herausforderung, denn Wärmeübertragungsanlagen sorgen meistens vor allem für konstante Temperierleistungen – für das Max-Planck-Institut musste die Anlage aber reaktionsschnell gegenkühlen.
Die Methanisierungsreaktion erzeugt viel Wärme und hohe Temperaturen, die den Reaktor, aber vor allem den Katalysator, beschädigen können. Bisher wurden solche Prozesse einmal langsam hochgefahren und dann über Wochen konstant betrieben. Damit diese Prozesse dynamisch betrieben werden können und die schon computergesteuerten Berechnungen real dargestellt werden, wurde die Pilotanlage im Max-Planck-Institut in Betrieb genommen.
Während des Prozesses wird der Reaktor auf 340 °C elektrisch aufgeheizt. Ab einer definierten Temperatur setzt eine exotherme Reaktion ein, die schlagartig auf 150 °C heruntergekühlt werden muss. Ein in Normalfällen verwendetes elektronisches Ventil, das als Regelorgan dient, wäre für diesen Anwendungsfall deutlich zu langsam. Je nach Stellgröße kann mithilfe des Ventils die Kühlleistung verändert werden. Bei Kühlung mit Kühlwasser wird in normalen Kühlaufgaben die Kühlleistung limitiert, um die Materialien bei einem großen Temperaturunterschied zu schonen. In diesem Fall verlangte die Aufgabenstellung aber eine schnelle Öffnung, um die geforderte Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen, ohne das Material zu sehr unter Stress zu setzen. Die Lauda-Ingenieure haben deshalb ein pneumatisches 3-Wege-Ventil verbaut, das sich in nur zwei Sekunden öffnet, um eine Abkühlung des Wärmeträgers von mehr als 150 °C/min garantieren zu können.
In ihrem Inneren besteht die Wärmeübertragungsanlage aus zwei Temperierkreisläufen. Während der erste Kreis ein Puffergefäß temperiert, temperiert der zweite den Prüfaufbau des Max-Planck-Instituts. Beide Kreise sind über den Medienvorratsspeicher miteinander verbunden und nutzen das gleiche Medium. Eine weitere Anforderung des Kunden an die Anlage war, dass der verwendete Wärmeträger bis 350 °C einsetzbar sein musste, weswegen auf Thermalöl gesetzt wurde, das diesen Anforderungen gerecht wird.
Die engen räumlichen Gegebenheiten wurden dabei bereits in der Entwicklungsphase am Computer in Betracht gezogen. Die Anlage musste in einem speziellen Sicherheitsdom Platz finden, was etwa die Anbringung der Schaltschränke an der Seite notwendig machte. Des Weiteren wurden die Stutzenanlagen teilweise an der Unterseite des Gerätes platziert und zum Aufbau wurde die Anlage in zwei Teilen nach Magdeburg geliefert, wo sie per Kran in die Einhausung aus Sicherheitsglas gehoben wurde.
