Ein-Reaktor-Konzept und Mischgashydrierung als Verfahrensvarianten zur Effizienzsteigerung in der LOHC-basierten Wasserstoffspeicherung

The aim of the present work was to investigate the I) One-Reactor concept and the II) Mixed Gas Hydrogenation as technological approaches to increase the efficiency in LOHC-based hydrogen storage using the example of the LOHC system dibenzyltoluene. In the One-Reactor concept, the priority was to analyse whether hydrogen loading is possible at a temperature level corresponding to dehydrogenation and could be realised in cyclic alternation with hydrogen release in one single reactor. For the Mixed Gas Hydrogenation, a better understanding of the influence of methane, water, carbon dioxide and carbon monoxide on the hydrogenation of dibenzyltoluene (H0-DBT) should be developed. The main question to be answered was whether the Mixed Gas Hydrogenation can be implemented using commercial Ru-, Rh-, Pt- and Pd-catalysts. The structure of the investigations is schematically summarized in Fig. A.1. I.a – Catalyst screening with pure H2: As a benchmark, the suitability of alumina-supported Pt group metals for the hydrogenation of H0-DBT was investigated in a temperature range of 150 – 260 °C. It was found that ruthenium and rhodium are very well suited for hydrogenation below 200 °C. With these catalysts, higher temperatures do not lead to a rise in activity but rather to increased by-product formation, especially with ruthenium. In contrast, palladium and platinum show a low by-product formation, but it requires temperatures above 220 °C to achieve sufficient hydrogenation activity. The highest activity in hydrogenation with pure hydrogen could be achieved with Pt-catalysts. Even at 310 °C, which corresponds to the temperature level for efficient hydrogen release from H18-DBT, the by-product formation was very low. I.b – One-Reactor pressure swing cycles: The One-Reactor concept demonstrates that hydrogen storage in stationary Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) systems becomes much simpler and significantly more efficient if both, the LOHC hydrogenation and the LOHC dehydrogenation reaction are carried out in the same reactor using the same catalyst. After the finding that Pt-catalysts are suitable for both reactions, the proposed One-Reactor concept could be successfully demonstrated at 290 – 310 °C. Due to the fact, that hydrogen pressure being the only variable for shifting the equilibrium between hydrogen loading and release, the One-Reactor concept is also characterized by an extremely short reaction time and excellent dynamics to serve the respective load situation. Besides the proof of the technical feasibility, continuous long-term operation was shown with up to 405 h. The possibility to reduce the equipment requirement for stationary LOHC-based hydrogen storage from two reactors to one single reactor, leads to a considerable simplification of the overall system as well as to a reduction of investment and operating costs. Due to the possibility of loading the hydrogen-lean LOHC at higher temperatures than are necessary for hydrogen release, the heat of the exothermic hydrogenation could be used for endothermic dehydrogenation if a suitable heat storage is used. The long-term experiments have shown that the catalyst achieves stable productivity after a conditioning phase. The investigations in one single reactor have shown that hydrogenation conditions lead to a decrease of catalyst deactivation and a catalyst regeneration after a long dehydrogenation. Furthermore, the observed low decomposition of the LOHC material was remarkable under these harsh conditions. To increase the productivity per mass of precious metal further while keeping LOHC and catalyst durability at a very high level, further catalyst development will be essential. II.a – Hydrogenation with H2/H2O-mixtures: During the experimental investigations it was found that dibenzyltoluene can be loaded efficiently and completely even in the presence of a large excess of water (water-saturated LOHC phase). While Pt catalysts showed a decrease in reaction rate, the presence of water led to an increase in by-products in the gas phase with Ru catalysts. Using Rh- and Pd-catalysts, a slight decrease of the reaction rate with comparatively low by-product formation was observed. Overall, the presence of water in the hydrogen source itself or its formation as a by-product of the methanation of CO or CO2 during Mixed Gas Hydrogenation, can be classified as non-critical. This finding allows the direct connection of hydrogen production via electrolysis with subsequent hydrogen storage via LOHC hydrogenation without hydrogen drying. The investment in energy and drying equipment for producing dry hydrogen can, thus, be avoided if the electrolysis-hydrogenation sequence is applied for the purpose of charging the LOHC compound H0-DBT with renewable energy equivalents. II.b – Hydrogenation with H2/CH4-mixtures: During the experimental investigations it was found that the hydrogenation of H0-DBT is also possible in the presence of a high methane partial pressure with Ru-, Rh-, Pt- and Pd-catalysts. The experiment in semi-continuous operation mode with a Pt/Al2O3 catalyst represents the very successful demonstration of a technical scenario of hydrogenation with binary H2/CH4 mixed gases. With a gas volume flow of 500 ml min−1 (H2/CH4 in a ratio of 4:1) and a temperature of 240 °C a hydrogen conversion of 94 – 96 % with a selectivity of at least 99.9 % could be achieved on a laboratory scale. The presence of CH4 in the hydrogen source itself or its formation as a product of the methanization of CO or CO2, can be classified as non-critical in Mixed Gas Hydrogenation. These findings form the basis for the further development of a process unit for selective separation of hydrogen from methane-rich hydrogen sources via LOHC hydrogenation. Possible applications for such a process unit would be hydrogen production by catalytic methane decomposition and hydrogen recovery from refinery processes such as naphtha hydrotreater, naphtha isomerisation and gas oil desulphurisation. II.c – Hydrogenation with H2/CO2 mixtures: The evaluation of catalysts and operating conditions suitable for LOHC hydrogenation in the presence of CO2 showed that only Rh and Pd can be used for this application. With regard to the activity for methanization, the following trend could be observed: Ru > Rh > Pt > Pd. Against this background, Ru catalysts are not suitable for use in Mixed Gas Hydrogenation because the formation of methane leads to a significant loss of valuable hydrogen. Platinum-based catalysts, which are excellent catalysts for aromatics hydrogenation at high temperature with pure hydrogen, were almost inactive in the presence of CO2. It is assumed that this effect is due to CO poisoning of the catalyst (formation of Pt-CO species). The CO is formed by the reverse water gas shift reaction or the dissociation of CO2. The best results in the presence of CO2 were obtained with the Rh catalyst applied. At temperatures below 180 °C, the catalyst showed good hydrogenation activity and low methanation activity. The observed deactivation in the course of the reaction is attributed to the formation of Rh-CO species, as already observed in the literature in the hydrogenation of phenol and toluene. Palladium-based catalysts showed the lowest selectivity for methane formation and a promising hydrogenation activity above 200 °C. The observed formation of CO at higher temperatures did not lead to a complete deactivation of the Pd-catalyst as it was observed at platinum-based catalysts. II.d – Hydrogenation with H2/CO-mixtures: The experimental investigations show that a short injection of CO during hydrogenation leads to an inhibition of all catalysts applied. However, the conversion to methane caused by the high excess of hydrogen allows gradual regeneration of the catalysts. When comparing the four investigated precious metals, Pd showed the least inhibition. It can therefore be assumed for technical scenarios of dibenzyltoluene hydrogenation with pure hydrogen, that a short-term slight contamination of the hydrogen source with CO does not lead to irreversible deactivation of the catalysts. In technical processes this contamination could be caused for instance by a failure of an upstream gas purification process. The investigations in semi-continuous operation mode show that a long-term contamination of the hydrogen source with CO leads to full deactivation of Ru-, Rh- and Pt-catalysts. Only Pd showed good activity for dibenzyltoluene hydrogenation in the presence of CO at temperatures above 270 °C. The analysis of the off-gas composition pointed out that even at a very high temperature of 320 °C the selectivity to LOHC hydrogenation was at least 98 %. II.e – Hydrogenation with multi-component gas mixtures: When using a synthetic H2/CO2/CO mixture (in a ratio of 78:20:2, representative for a gas mixture from natural gas or biogas steam reforming) in semi-continuous operation mode, it could be shown that the selective separation of hydrogen is technically possible in the presence of more than 50 % carbon dioxide and 7 % carbon monoxide. With a gas volume flow of 300 ml min−1 and a temperature of 300 °C a hydrogen recovery of more than 80 % could be observed on a laboratory scale. By identifying suitable operating conditions, the evaluation of various Pd/Al2O3 shaped body catalysts resulted in selectivities of at least 99.5 %. Furthermore, the hydrogen release from dibenzyltoluene, which was charged with a synthetic H2/CO2/CO mixture, was demonstrated with a overall hydrogen purity of 99.9986 %. The hydrogen conversion during Mixed Gas Hydrogenation and the hydrogen purity during hydrogen release are comparable with the characteristics of conventional hydrogen separation technologies such as pressure swing adsorption or membrane separation. In addition, the successful validation of two commercially available catalysts laid the basis for transferring the Mixed Gas Hydrogenation to a continuous operation mode. A very promising application of the Mixed Gas Hydrogenation is the use of stranded gas, which is not profitable at present by conventional methods. It is estimated that in 2012 about 3.5 % of the world’s natural gas production was burned unused at oil or gas fields. The flaring of 143 billion m3 natural gas caused CO2 emissions of more than 350 million t in 2012. [475] The production of a hydrogen-rich gas mixture by the steam reforming of this stranded natural gas with a downstream LOHC hydrogenation unit could be an interesting alternative to combustion. Using the example of an oil platform in the North Sea, a techno-economic analysis was carried out for the process chain from steam reforming of the natural gas to hydrogen transport to the European mainland and compression of hydrogen to 350 bar. According to the present study, the hydrogen transport with LOHC represents a promising and economic possibility for hydrogen supply at a considered capacity of 900 kgH2 h−1. The estimated hydrogen production costs of 2.14 € kg−1 H2 are lower than for the transport of cryogenic hydrogen (3.51 € kg−1 H2) and can also be evaluated as more favourable in comparison to published studies on hydrogen production by water electrolysis. The presented results here are not only interesting for the LOHC-based hydrogen storage technology. It is to be expected that the basic findings of this work can be transferred to other industrial processes. In addition to hydrogen storage, the use of hydrogen-rich gas mixtures could open up a new perspective for conventional hydrogenation processes. A better integration of hydrogen-rich gas mixtures into industrial value chains would avoid the only thermal utilization of this valuable gas mixtures, reduce the primary energy demand and, thus, save greenhouse gas emissions.Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Ein-Reaktor-Konzeptes sowie der Mischgashydrierung als Verfahrensvarianten zur Effizienzsteigerung in der LOHC-basierten Wasserstoffspeicherung am Beispiel des LOHC-Stoffsystems Dibenzyltoluol. Beim Ein-Reaktor-Konzept sollte vorrangig analysiert werden, ob eine Wasserstoffbeladung einerseits auf einem der Dehydrierung entsprechenden Temperaturniveau möglich ist und andererseits im zyklischen Wechsel mit der Wasserstofffreisetzung in einem Reaktor realisiert werden kann. Für das Konzept der Mischgashydrierung sollte ein besseres Verständnis zum Einfluss von Methan, Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid auf die Hydrierung von Dibenzyltoluol (H0-DBT) erarbeitet werden. Dabei sollte in erster Linie die Fragestellung beantwortet werden, ob das Konzept der Mischgashydrierung unter Verwendung von kommerziellen Ru-, Rh-, Pt- und Pd-Katalysatoren umsetzbar ist. Eine Gliederung der Untersuchungen ist in Abb. 6.1 schematisch zusammengefasst. I.a – Katalysator-Screening mit reinem H2: Als Benchmark wurde zunächst die Eignung von Aluminiumoxid-geträgerten Pt-Gruppenmetallen für die Hydrierung von H0-DBT in einem Temperaturbereich von 150 – 260 °C untersucht. Es zeigt sich, dass Ruthenium und Rhodium sehr gut für die Hydrierung unter 200 °C geeignet sind. Bei diesen Katalysatoren führen höhere Temperaturen nur unwesentlich zu einem Anstieg der Aktivität, vielmehr konnte insbesondere bei Ruthenium eine erhöhte Nebenproduktbildung beobachtet werden. Im Gegensatz dazu zeigen Palladium und Platin eine geringe Nebenproduktbildung, benötigen jedoch Temperaturen über 220 °C um eine ausreichende Hydrieraktivität aufzuweisen. Die höchste Aktivität bei der Hydrierung mit reinem Wasserstoff konnte mit Pt-Katalysatoren erzielt werden. Selbst auf einem der Dehydrierung entsprechenden Temperaturniveau von 310 °C, war die Nebenproduktbildung sehr gering. I.b – Ein-Reaktor-Druckwechselzyklen: Die Möglichkeit den apparativen Bedarf bei der stationären LOHC-Wasserstoffspeicherung von zwei Reaktoren auf einen Reaktor zu reduzieren, führt zu einer erheblichen Vereinfachung des Gesamtsystems sowie zu einer Senkung der Investitions- und Betriebskosten. Nach der Erkenntnis, dass sich Pt-Katalysatoren bei 290 – 310 °C sowohl für die Wasserstoffbeladung als auch -freisetzung eignen, konnte das vorgeschlagene Ein-Reaktor-Konzept erfolgreich demonstriert werden. Neben dem Nachweis der technischen Umsetzbarkeit, wurde weiterhin die Betriebsweise mit bis zu 405 h Dauerbetrieb gezeigt. Aufgrund der Möglichkeit, das wasserstoffarme LOHC bei höheren Temperaturen zu beladen als zur Wasserstofffreisetzung notwendig sind, könnte bei Verwendung eines geeigneten Wärmespeichers die Abwärme der exothermen Hydrierung zur endothermen Dehydrierung genutzt werden. Das Ein-Reaktor-Konzept zeichnet sich zudem durch eine extrem kurze Reaktionszeit und hervorragende Dynamik aus, um die jeweilige Lastsituation zu bedienen. In den Langzeit-Experimenten wurde gezeigt, dass der Katalysator nach einer Konditionierungsphase eine stabile Produktivität erreicht. Die Untersuchungen in einem Reaktor haben gezeigt, dass die wechselnden Betriebsbedingungen zu einer Verringerung der Katalysatordeaktivierung bzw. einer Regeneration des Katalysators nach einer langen Dehydrierung führen. Darüber hinaus ist die geringe beobachtete Zersetzung des LOHC-Materials bei diesen harschen Bedingungen bemerkenswert. Um die Produktivität pro Edelmetallmasse weiter zu steigern und gleichzeitig die Haltbarkeit von LOHC und Katalysator auf einem sehr hohen Niveau zu halten, ist eine weitere Katalysatorentwicklung unerlässlich. II.a – Hydrierung mit H2/H2O-Gemischen: Bei den experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass Dibenzyltoluol selbst in Gegenwart eines großen Überschusses an Wasser (wassergesättigte LOHC-Phase) effizient und vollständig beladen werden kann. Während bei Pt-Katalysatoren eine Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden konnte, führte die Anwesenheit von Wasser bei Ru-Katalysatoren zu einer Zunahme der Nebenprodukte in der Gasphase. Unter der Verwendung von Rh- und Pd-Katalysatoren war eine geringfügige Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei vergleichsweise niedriger Nebenproduktbildung erkennbar. Insgesamt kann die Anwesenheit von Wasser in der Wasserstoffquelle selbst oder dessen Bildung als Produkt der Methanisierung von CO oder CO2 bei der Mischgashydrierung als unkritisch eingestuft werden. Diese Erkenntnis macht beispielsweise eine direkte Verbindung der Wasserstoffproduktion über Elektrolyse mit anschließender Wasserstoffspeicherung über LOHC-Hydrierung ohne Wasserstofftrocknung denkbar. Hohe Investitionskosten für Energie- und Trocknungsanlagen zur Erzeugung von trockenem Wasserstoff können somit also vermieden werden, wenn die Elektrolyse-LOHC-Prozessfolge mit dem Zweck eingesetzt wird, flüssige organische Wasserstoffträger mit erneuerbaren Energieäquivalenten zu beladen. II.b – Hydrierung mit H2/CH4-Gemischen: Bei den experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Hydrierung von H0-DBT auch in Anwesenheit eines hohen CH4-Partialdruckes mit Ru-, Rh-, Pt- und Pd-Katalysatoren möglich ist. Das durchgeführte Experiment im halb-kontinuierlichen Betrieb mit einem Pt/Al2O3-Katalysator stellt die sehr erfolgreiche Demonstration eines technischen Szenarios der Hydrierung mit binären H2/CH4-Mischgasen dar. Bei einem Gasvolumenstrom von 500 ml min−1 (H2/CH4 im Verhältnis 4:1) und einer Temperatur von 240 °C konnte im Labormaßstab ein Wasserstoffumsatz von 94 – 96 % mit einer Selektivität von über 99,9 % erzielt werden. Die Anwesenheit von CH4 in der Wasserstoffquelle selbst oder dessen Bildung als Produkt der Methanisierung von CO oder CO2 kann bei der Mischgashydrierung als unkritisch eingestuft werden. Die Erkenntnisse bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung einer Prozesseinheit zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff aus CH4-reichen Wasserstoffquellen über die Hydrierung von LOHC. Mögliche Anwendungen für eine solche Prozesseinheit wären die Wasserstoffherstellung durch katalytische Methanspaltung sowie die Wasserstoffrückgewinnung aus Raffnerieprozessen wie dem Naphtha-Hydrotreater, der Naphtha-Isomerisierung und der Gasölentschwefelung. II.c – Hydrierung mit H2/CO2-Gemischen: Die Evaluierung von Katalysatoren und Betriebsbedingungen, welche für die Hydrierung in Anwesenheit von CO2 geeignet sind, zeigte, dass lediglich Rh und Pd für diese Anwendung eingesetzt werden können. In Hinblick auf die Aktivität zur Methanisierung konnte folgende Reihenfolge beobachtet werden: Ru > Rh > Pt > Pd. Vor diesem Hintergrund sind Ru-Katalysatoren für die Anwendung in der Mischgashydrierung nicht geeignet, da die Bildung von Methan zu einem Verlust von wertvollen Wasserstoff führt. Katalysatoren auf Basis von Platin, welche sich für die Hydrierung von Aromaten bei hoher Temperatur mit reinem Wasserstoff als sehr gut geeignet zeigten, sind in Anwesenheit von CO2 vollständig deaktiviert. Es wird angenommen, dass dieser Effekt auf eine CO-Vergiftung des Katalysators (Bildung von Pt-CO-Spezies) zurückzuführen ist. Das CO wird über die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion oder die Dissoziation von CO2 gebildet. Die besten Ergebnisse in Anwesenheit von CO2 lieferte der verwendete Rh-Katalysator. Bei Temperaturen unter 180 °C zeigte der Katalysator eine gute Hydrieraktivität sowie eine geringe Aktivität zur Methanisierung. Die beobachtete Deaktivierung im Fortlauf der Reaktion wird auf die Bildung von Rh-CO-Spezies zurückgeführt, wie sie bereits in der Literatur bei der Hydrierung von Phenol und Toluol beobachtet wurde. Palladium-Katalysatoren, welche die geringste Selektivität zur Methanbildung aufweisen, zeigten über 200 °C eine vielversprechende Hydrieraktivität. Eine bei höheren Temperaturen beobachtete Bildung von CO führte beim Pd-Katalysator nicht zu einer vollständigen Deaktivierung, wie es bei Pt-Katalysatoren beobachtet wurde. II.d – Hydrierung mit H2/CO-Gemischen: Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass eine kurze Injektion von CO bei der Hydrierung zu einer Inhibierung des Katalysators führt. Die durch den hohen Wasserstoffüberschuss hervorgerufene Umwandlung zu Methan ermöglicht eine Regeneration aller untersuchten Katalysatoren. Beim Vergleich der vier untersuchten Edelmetalle scheint Pd die geringste Inhibierung zu erfahren. Für technische Szenarien der Hydrierung von Dibenzyltoluol mit reinem Wasserstoff kann daher davon ausgegangen werden, dass eine kurzfristige geringe Verunreinigung der Wasserstoffquelle mit CO zu keiner irreversiblen Schädigung der Katalysatoren führt. Diese Verunreinigung könnte in technischen Prozessen durch einen Ausfall einer vorgeschalteten Gasreinigungsanlage hervorgerufen werden. Die Untersuchungen in halb-kontinuierlicher Betriebsweise zeigen, dass eine langfristige Verunreinigung der Wasserstoffquelle mit CO zu einer Deaktivierung von Ru-, Rh- und Pt-Katalysatoren führt. Lediglich Pd zeigte ab einer Temperatur von 270 °C eine gute Aktivität zur Hydrierung von Dibenzyltoluol in Anwesenheit von CO. Die Analyse der Nebenprodukte bestätigt, dass die Selektivität zur LOHC-Hydrierung mit dem eingesetzten Pd-Katalysator auch bei einer sehr hohen Temperatur von 320 °C bei mindestens 98 % liegt. II.e – Hydrierung mit Multikomponenten-Mischgasen: Unter Verwendung eines synthetischen Mischgases konnte am Beispiel der Reformierung von Erd- oder Biogas gezeigt werden, dass die selektive Abtrennung von Wasserstoff auch in Anwesenheit von über 50 % Kohlendioxid und 7 % Kohlenmonoxid technisch möglich ist. Bei einem Gasvolumenstrom von 300 ml min−1 und einer Temperatur von 300 °C konnte im Labormaßstab ein Wasserstoffumsatz von über 80 % beobachtet werden. Durch die Identifizierung geeigneter Betriebsbedingungen konnte bei der Evaluierung verschiedener Pd/Al2O3-Formkörperkatalysatoren Selektivitäten von über 99,5 % erzielt werden. Darüber hinaus wurde die Wasser

One-Reactor concept and Mixed Gas Hydrogenation as technological possibilities for increasing efficiency in LOHC-based hydrogen storage

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Ein-Reaktor-Konzeptes sowie der Mischgashydrierung als Verfahrensvarianten zur Effizienzsteigerung in der LOHC-basierten Wasserstoffspeicherung am Beispiel des LOHC-Stoffsystems Dibenzyltoluol. Beim Ein-Reaktor-Konzept sollte vorrangig analysiert werden, ob eine Wasserstoffbeladung einerseits auf einem der Dehydrierung entsprechenden Temperaturniveau möglich ist und andererseits im zyklischen Wechsel mit der Wasserstofffreisetzung in einem Reaktor realisiert werden kann. Für das Konzept der Mischgashydrierung sollte ein besseres Verständnis zum Einfluss von Methan, Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid auf die Hydrierung von Dibenzyltoluol (H0-DBT) erarbeitet werden. Dabei sollte in erster Linie die Fragestellung beantwortet werden, ob das Konzept der Mischgashydrierung unter Verwendung von kommerziellen Ru-, Rh-, Pt- und Pd-Katalysatoren umsetzbar ist. Eine Gliederung der Untersuchungen ist in Abb. 6.1 schematisch zusammengefasst. I.a – Katalysator-Screening mit reinem H2: Als Benchmark wurde zunächst die Eignung von Aluminiumoxid-geträgerten Pt-Gruppenmetallen für die Hydrierung von H0-DBT in einem Temperaturbereich von 150 – 260 °C untersucht. Es zeigt sich, dass Ruthenium und Rhodium sehr gut für die Hydrierung unter 200 °C geeignet sind. Bei diesen Katalysatoren führen höhere Temperaturen nur unwesentlich zu einem Anstieg der Aktivität, vielmehr konnte insbesondere bei Ruthenium eine erhöhte Nebenproduktbildung beobachtet werden. Im Gegensatz dazu zeigen Palladium und Platin eine geringe Nebenproduktbildung, benötigen jedoch Temperaturen über 220 °C um eine ausreichende Hydrieraktivität aufzuweisen. Die höchste Aktivität bei der Hydrierung mit reinem Wasserstoff konnte mit Pt-Katalysatoren erzielt werden. Selbst auf einem der Dehydrierung entsprechenden Temperaturniveau von 310 °C, war die Nebenproduktbildung sehr gering. I.b – Ein-Reaktor-Druckwechselzyklen: Die Möglichkeit den apparativen Bedarf bei der stationären LOHC-Wasserstoffspeicherung von zwei Reaktoren auf einen Reaktor zu reduzieren, führt zu einer erheblichen Vereinfachung des Gesamtsystems sowie zu einer Senkung der Investitions- und Betriebskosten. Nach der Erkenntnis, dass sich Pt-Katalysatoren bei 290 – 310 °C sowohl für die Wasserstoffbeladung als auch -freisetzung eignen, konnte das vorgeschlagene Ein-Reaktor-Konzept erfolgreich demonstriert werden. Neben dem Nachweis der technischen Umsetzbarkeit, wurde weiterhin die Betriebsweise mit bis zu 405 h Dauerbetrieb gezeigt. Aufgrund der Möglichkeit, das wasserstoffarme LOHC bei höheren Temperaturen zu beladen als zur Wasserstofffreisetzung notwendig sind, könnte bei Verwendung eines geeigneten Wärmespeichers die Abwärme der exothermen Hydrierung zur endothermen Dehydrierung genutzt werden. Das Ein-Reaktor-Konzept zeichnet sich zudem durch eine extrem kurze Reaktionszeit und hervorragende Dynamik aus, um die jeweilige Lastsituation zu bedienen. In den Langzeit-Experimenten wurde gezeigt, dass der Katalysator nach einer Konditionierungsphase eine stabile Produktivität erreicht. Die Untersuchungen in einem Reaktor haben gezeigt, dass die wechselnden Betriebsbedingungen zu einer Verringerung der Katalysatordeaktivierung bzw. einer Regeneration des Katalysators nach einer langen Dehydrierung führen. Darüber hinaus ist die geringe beobachtete Zersetzung des LOHC-Materials bei diesen harschen Bedingungen bemerkenswert. Um die Produktivität pro Edelmetallmasse weiter zu steigern und gleichzeitig die Haltbarkeit von LOHC und Katalysator auf einem sehr hohen Niveau zu halten, ist eine weitere Katalysatorentwicklung unerlässlich. II.a – Hydrierung mit H2/H2O-Gemischen: Bei den experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass Dibenzyltoluol selbst in Gegenwart eines großen Überschusses an Wasser (wassergesättigte LOHC-Phase) effizient und vollständig beladen werden kann. Während bei Pt-Katalysatoren eine Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden konnte, führte die Anwesenheit von Wasser bei Ru-Katalysatoren zu einer Zunahme der Nebenprodukte in der Gasphase. Unter der Verwendung von Rh- und Pd-Katalysatoren war eine geringfügige Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei vergleichsweise niedriger Nebenproduktbildung erkennbar. Insgesamt kann die Anwesenheit von Wasser in der Wasserstoffquelle selbst oder dessen Bildung als Produkt der Methanisierung von CO oder CO2 bei der Mischgashydrierung als unkritisch eingestuft werden. Diese Erkenntnis macht beispielsweise eine direkte Verbindung der Wasserstoffproduktion über Elektrolyse mit anschließender Wasserstoffspeicherung über LOHC-Hydrierung ohne Wasserstofftrocknung denkbar. Hohe Investitionskosten für Energie- und Trocknungsanlagen zur Erzeugung von trockenem Wasserstoff können somit also vermieden werden, wenn die Elektrolyse-LOHC-Prozessfolge mit dem Zweck eingesetzt wird, flüssige organische Wasserstoffträger mit erneuerbaren Energieäquivalenten zu beladen. II.b – Hydrierung mit H2/CH4-Gemischen: Bei den experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Hydrierung von H0-DBT auch in Anwesenheit eines hohen CH4-Partialdruckes mit Ru-, Rh-, Pt- und Pd-Katalysatoren möglich ist. Das durchgeführte Experiment im halb-kontinuierlichen Betrieb mit einem Pt/Al2O3-Katalysator stellt die sehr erfolgreiche Demonstration eines technischen Szenarios der Hydrierung mit binären H2/CH4-Mischgasen dar. Bei einem Gasvolumenstrom von 500 ml min−1 (H2/CH4 im Verhältnis 4:1) und einer Temperatur von 240 °C konnte im Labormaßstab ein Wasserstoffumsatz von 94 – 96 % mit einer Selektivität von über 99,9 % erzielt werden. Die Anwesenheit von CH4 in der Wasserstoffquelle selbst oder dessen Bildung als Produkt der Methanisierung von CO oder CO2 kann bei der Mischgashydrierung als unkritisch eingestuft werden. Die Erkenntnisse bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung einer Prozesseinheit zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff aus CH4-reichen Wasserstoffquellen über die Hydrierung von LOHC. Mögliche Anwendungen für eine solche Prozesseinheit wären die Wasserstoffherstellung durch katalytische Methanspaltung sowie die Wasserstoffrückgewinnung aus Raffnerieprozessen wie dem Naphtha-Hydrotreater, der Naphtha-Isomerisierung und der Gasölentschwefelung. II.c – Hydrierung mit H2/CO2-Gemischen: Die Evaluierung von Katalysatoren und Betriebsbedingungen, welche für die Hydrierung in Anwesenheit von CO2 geeignet sind, zeigte, dass lediglich Rh und Pd für diese Anwendung eingesetzt werden können. In Hinblick auf die Aktivität zur Methanisierung konnte folgende Reihenfolge beobachtet werden: Ru > Rh > Pt > Pd. Vor diesem Hintergrund sind Ru-Katalysatoren für die Anwendung in der Mischgashydrierung nicht geeignet, da die Bildung von Methan zu einem Verlust von wertvollen Wasserstoff führt. Katalysatoren auf Basis von Platin, welche sich für die Hydrierung von Aromaten bei hoher Temperatur mit reinem Wasserstoff als sehr gut geeignet zeigten, sind in Anwesenheit von CO2 vollständig deaktiviert. Es wird angenommen, dass dieser Effekt auf eine CO-Vergiftung des Katalysators (Bildung von Pt-CO-Spezies) zurückzuführen ist. Das CO wird über die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion oder die Dissoziation von CO2 gebildet. Die besten Ergebnisse in Anwesenheit von CO2 lieferte der verwendete Rh-Katalysator. Bei Temperaturen unter 180 °C zeigte der Katalysator eine gute Hydrieraktivität sowie eine geringe Aktivität zur Methanisierung. Die beobachtete Deaktivierung im Fortlauf der Reaktion wird auf die Bildung von Rh-CO-Spezies zurückgeführt, wie sie bereits in der Literatur bei der Hydrierung von Phenol und Toluol beobachtet wurde. Palladium-Katalysatoren, welche die geringste Selektivität zur Methanbildung aufweisen, zeigten über 200 °C eine vielversprechende Hydrieraktivität. Eine bei höheren Temperaturen beobachtete Bildung von CO führte beim Pd-Katalysator nicht zu einer vollständigen Deaktivierung, wie es bei Pt-Katalysatoren beobachtet wurde. II.d – Hydrierung mit H2/CO-Gemischen: Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass eine kurze Injektion von CO bei der Hydrierung zu einer Inhibierung des Katalysators führt. Die durch den hohen Wasserstoffüberschuss hervorgerufene Umwandlung zu Methan ermöglicht eine Regeneration aller untersuchten Katalysatoren. Beim Vergleich der vier untersuchten Edelmetalle scheint Pd die geringste Inhibierung zu erfahren. Für technische Szenarien der Hydrierung von Dibenzyltoluol mit reinem Wasserstoff kann daher davon ausgegangen werden, dass eine kurzfristige geringe Verunreinigung der Wasserstoffquelle mit CO zu keiner irreversiblen Schädigung der Katalysatoren führt. Diese Verunreinigung könnte in technischen Prozessen durch einen Ausfall einer vorgeschalteten Gasreinigungsanlage hervorgerufen werden. Die Untersuchungen in halb-kontinuierlicher Betriebsweise zeigen, dass eine langfristige Verunreinigung der Wasserstoffquelle mit CO zu einer Deaktivierung von Ru-, Rh- und Pt-Katalysatoren führt. Lediglich Pd zeigte ab einer Temperatur von 270 °C eine gute Aktivität zur Hydrierung von Dibenzyltoluol in Anwesenheit von CO. Die Analyse der Nebenprodukte bestätigt, dass die Selektivität zur LOHC-Hydrierung mit dem eingesetzten Pd-Katalysator auch bei einer sehr hohen Temperatur von 320 °C bei mindestens 98 % liegt. II.e – Hydrierung mit Multikomponenten-Mischgasen: Unter Verwendung eines synthetischen Mischgases konnte am Beispiel der Reformierung von Erd- oder Biogas gezeigt werden, dass die selektive Abtrennung von Wasserstoff auch in Anwesenheit von über 50 % Kohlendioxid und 7 % Kohlenmonoxid technisch möglich ist. Bei einem Gasvolumenstrom von 300 ml min−1 und einer Temperatur von 300 °C konnte im Labormaßstab ein Wasserstoffumsatz von über 80 % beobachtet werden. Durch die Identifizierung geeigneter Betriebsbedingungen konnte bei der Evaluierung verschiedener Pd/Al2O3-Formkörperkatalysatoren Selektivitäten von über 99,5 % erzielt werden. Darüber hinaus wurde die Wasserstofffreisetzung aus mit Mischgas beladenen Dibenzyltoluol mit einer Reinheit von über 99,95 % demonstriert. Der Wasserstoffumsatz bei der Mischgashydrierung und die Wasserstoffreinheit bei der Wasserstofffreisetzung ist mit den Kennzahlen konventioneller Verfahren wie der Druckwechseladsorption oder Membrantrennverfahren vergleichbar. Mit der erfolgreichen Validierung von zwei kommerziell verfügbaren Katalysatoren ist die Grundlage für eine zeitnahe Übertragung der Mischgashydrierung in einen kontinuierlichen Prozess gelegt. Eine interessante Anwendungsmöglichkeit stellt die Nutzung von stranded gas dar, dessen Nutzung mittels konventioneller Verfahren zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht rentabel ist. Nach Schätzungen wurden im Jahr 2012 etwa 3,5 % der weltweit geförderten Erdgasmenge auf Öl- oder Gasfeldern ungenutzt verbrannt. Die Verbrennung von 143 Mrd. m3 Erdgas hatte im Jahr 2012 Emissionen von mehr als 350 Mio. t CO2 zur Folge. Die Herstellung von Wasserstoff über die Dampfreformierung des Erdgases stellt eine interessante Alternative zur Verbrennung dar. Am Beispiel einer Ölplattform in der Nordsee erfolgte eine techno-ökonomische Analyse für die Prozesskette von der Dampfreformierung des Erdgases über den Wasserstofftransport zum europäischen Festland bis zur Kompression von Wasserstoff auf 350 bar. Bei einer betrachteten Kapazität von 900 kgH2 h−1 stellt der Wasserstofftransport mit LOHC nach der vorliegenden Studie eine vielversprechende und wirtschaftliche Möglichkeit dar. Die abgeschätzten Wasserstoffgestehungskosten sind mit 2,14 € kg−1 H2 geringer als beim Transport von kryogenen Wasserstoff (3,51 € kg−1 H2) und auch im Vergleich zu veröffentlichten Studien zur Wasserstoffbereitstellung mit Elektrolyse als günstiger zu bewerten. Die hier vorgestellten Ergebnisse sind nicht nur für die LOHC-Technologie interessant. Es ist zu erwarten, dass die grundlegenden Erkenntnisse dieser Arbeit auf andere industrielle Prozesse übertragen werden können. Neben der Wasserstoffspeicherung, könnte durch die Nutzung wasserstoffreicher Mischgase so eine neue Perspektive für konventionelle Hydrierverfahren entstehen. Eine bessere Integration wasserstoffreicher Mischgase in industrielle Wertschöpfungsketten würde die lediglich thermische Verwertung der Mischgase vermeiden, den Primärenergiebedarf senken und auf diese Weise Treibhausgasemissionen einsparen.The aim of the present work was to investigate the I) One-Reactor concept and the II) Mixed Gas Hydrogenation as technological approaches to increase the efficiency in LOHC-based hydrogen storage using the example of the LOHC system dibenzyltoluene. In the One-Reactor concept, the priority was to analyse whether hydrogen loading is possible at a temperature level corresponding to dehydrogenation and could be realised in cyclic alternation with hydrogen release in one single reactor. For the Mixed Gas Hydrogenation, a better understanding of the influence of methane, water, carbon dioxide and carbon monoxide on the hydrogenation of dibenzyltoluene (H0-DBT) should be developed. The main question to be answered was whether the Mixed Gas Hydrogenation can be implemented using commercial Ru-, Rh-, Pt- and Pd-catalysts. The structure of the investigations is schematically summarized in Fig. A.1. I.a – Catalyst screening with pure H2: As a benchmark, the suitability of alumina-supported Pt group metals for the hydrogenation of H0-DBT was investigated in a temperature range of 150 – 260 °C. It was found that ruthenium and rhodium are very well suited for hydrogenation below 200 °C. With these catalysts, higher temperatures do not lead to a rise in activity but rather to increased by-product formation, especially with ruthenium. In contrast, palladium and platinum show a low by-product formation, but it requires temperatures above 220 °C to achieve sufficient hydrogenation activity. The highest activity in hydrogenation with pure hydrogen could be achieved with Pt-catalysts. Even at 310 °C, which corresponds to the temperature level for efficient hydrogen release from H18-DBT, the by-product formation was very low. I.b – One-Reactor pressure swing cycles: The One-Reactor concept demonstrates that hydrogen storage in stationary Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) systems becomes much simpler and significantly more efficient if both, the LOHC hydrogenation and the LOHC dehydrogenation reaction are carried out in the same reactor using the same catalyst. After the finding that Pt-catalysts are suitable for both reactions, the proposed One-Reactor concept could be successfully demonstrated at 290 – 310 °C. Due to the fact, that hydrogen pressure being the only variable for shifting the equilibrium between hydrogen loading and release, the One-Reactor concept is also characterized by an extremely short reaction time and excellent dynamics to serve the respective load situation. Besides the proof of the technical feasibility, continuous long-term operation was shown with up to 405 h. The possibility to reduce the equipment requirement for stationary LOHC-based hydrogen storage from two reactors to one single reactor, leads to a considerable simplification of the overall system as well as to a reduction of investment and operating costs. Due to the possibility of loading the hydrogen-lean LOHC at higher temperatures than are necessary for hydrogen release, the heat of the exothermic hydrogenation could be used for endothermic dehydrogenation if a suitable heat storage is used. The long-term experiments have shown that the catalyst achieves stable productivity after a conditioning phase. The investigations in one single reactor have shown that hydrogenation conditions lead to a decrease of catalyst deactivation and a catalyst regeneration after a long dehydrogenation. Furthermore, the observed low decomposition of the LOHC material was remarkable under these harsh conditions. To increase the productivity per mass of precious metal further while keeping LOHC and catalyst durability at a very high level, further catalyst development will be essential. II.a – Hydrogenation with H2/H2O-mixtures: During the experimental investigations it was found that dibenzyltoluene can be loaded efficiently and completely even in the presence of a large excess of water (water-saturated LOHC phase). While Pt catalysts showed a decrease in reaction rate, the presence of water led to an increase in by-products in the gas phase with Ru catalysts. Using Rh- and Pd-catalysts, a slight decrease of the reaction rate with comparatively low by-product formation was observed. Overall, the presence of water in the hydrogen source itself or its formation as a by-product of the methanation of CO or CO2 during Mixed Gas Hydrogenation, can be classified as non-critical. This finding allows the direct connection of hydrogen production via electrolysis with subsequent hydrogen storage via LOHC hydrogenation without hydrogen drying. The investment in energy and drying equipment for producing dry hydrogen can, thus, be avoided if the electrolysis-hydrogenation sequence is applied for the purpose of charging the LOHC compound H0-DBT with renewable energy equivalents. II.b – Hydrogenation with H2/CH4-mixtures: During the experimental investigations it was found that the hydrogenation of H0-DBT is also possible in the presence of a high methane partial pressure with Ru-, Rh-, Pt- and Pd-catalysts. The experiment in semi-continuous operation mode with a Pt/Al2O3 catalyst represents the very successful demonstration of a technical scenario of hydrogenation with binary H2/CH4 mixed gases. With a gas volume flow of 500 ml min−1 (H2/CH4 in a ratio of 4:1) and a temperature of 240 °C a hydrogen conversion of 94 – 96 % with a selectivity of at least 99.9 % could be achieved on a laboratory scale. The presence of CH4 in the hydrogen source itself or its formation as a product of the methanization of CO or CO2, can be classified as non-critical in Mixed Gas Hydrogenation. These findings form the basis for the further development of a process unit for selective separation of hydrogen from methane-rich hydrogen sources via LOHC hydrogenation. Possible applications for such a process unit would be hydrogen production by catalytic methane decomposition and hydrogen recovery from refinery processes such as naphtha hydrotreater, naphtha isomerisation and gas oil desulphurisation. II.c – Hydrogenation with H2/CO2 mixtures: The evaluation of catalysts and operating conditions suitable for LOHC hydrogenation in the presence of CO2 showed that only Rh and Pd can be used for this application. With regard to the activity for methanization, the following trend could be observed: Ru > Rh > Pt > Pd. Against this background, Ru catalysts are not suitable for use in Mixed Gas Hydrogenation because the formation of methane leads to a significant loss of valuable hydrogen. Platinum-based catalysts, which are excellent catalysts for aromatics hydrogenation at high temperature with pure hydrogen, were almost inactive in the presence of CO2. It is assumed that this effect is due to CO poisoning of the catalyst (formation of Pt-CO species). The CO is formed by the reverse water gas shift reaction or the dissociation of CO2. The best results in the presence of CO2 were obtained with the Rh catalyst applied. At temperatures below 180 °C, the catalyst showed good hydrogenation activity and low methanation activity. The observed deactivation in the course of the reaction is attributed to the formation of Rh-CO species, as already observed in the literature in the hydrogenation of phenol and toluene. Palladium-based catalysts showed the lowest selectivity for methane formation and a promising hydrogenation activity above 200 °C. The observed formation of CO at higher temperatures did not lead to a complete deactivation of the Pd-catalyst as it was observed at platinum-based catalysts. II.d – Hydrogenation with H2/CO-mixtures: The experimental investigations show that a short injection of CO during hydrogenation leads to an inhibition of all catalysts applied. However, the conversion to methane caused by the high excess of hydrogen allows gradual regeneration of the catalysts. When comparing the four investigated precious metals, Pd showed the least inhibition. It can therefore be assumed for technical scenarios of dibenzyltoluene hydrogenation with pure hydrogen, that a short-term slight contamination of the hydrogen source with CO does not lead to irreversible deactivation of the catalysts. In technical processes this contamination could be caused for instance by a failure of an upstream gas purification process. The investigations in semi-continuous operation mode show that a long-term contamination of the hydrogen source with CO leads to full deactivation of Ru-, Rh- and Pt-catalysts. Only Pd showed good activity for dibenzyltoluene hydrogenation in the presence of CO at temperatures above 270 °C. The analysis of the off-gas composition pointed out that even at a very high temperature of 320 °C the selectivity to LOHC hydrogenation was at least 98 %. II.e – Hydrogenation with multi-component gas mixtures: When using a synthetic H2/CO2/CO mixture (in a ratio of 78:20:2, representative for a gas mixture from natural gas or biogas steam reforming) in semi-continuous operation mode, it could be shown that the selective separation of hydrogen is technically possible in the presence of more than 50 % carbon dioxide and 7 % carbon monoxide. With a gas volume flow of 300 ml min−1 and a temperature of 300 °C a hydrogen recovery of more than 80 % could be observed on a laboratory scale. By identifying suitable operating conditions, the evaluation of various Pd/Al2O3 shaped body catalysts resulted in selectivities of a

Hydrogenation of aromatic and heteroaromatic compounds – a key process for future logistics of green hydrogen using liquid organic hydrogen carrier systems

This review deals with the chemical storage of green hydrogen in the form of Liquid Organic HydrogenCarrier (LOHC) systems. LOHC systems store hydrogen by an exothermal catalytic hydrogenationreaction that converts the hydrogen-lean compounds of the LOHC system to their hydrogen-richcounterparts. All compounds of a technically suitable LOHC system are liquids and this offers theadvantage of simple logistics of chemically bound hydrogen in the existing infrastructure for fuels. Ondemand, hydrogen can be released from the hydrogen-rich LOHC molecule in an endothermal catalyticdehydrogenation at low hydrogen pressure (typically below 5 bar). Our contribution deals first withavailable sources of green hydrogen for a future hydrogen economy and then describes establishedtechnical processes to produce clean hydrogen from technically hydrogen-rich gas mixtures.Subsequently, the review focuses on the hydrogenation of aromatic and heteroaromatic compounds asthe key step of the LOHC-based hydrogen storage cycle. Special emphasis is given to the hydrogenchargingof hydrogen-lean LOHC compounds with various gas mixtures demonstrating that sucha Mixed Gas Hydrogenation (MGH) process offers the technical potential to selectively extract hydrogenin a chemically bound form that enables very efficient hydrogen logistics. In this way, low cost hydrogensources can be connected to high value hydrogen application, e.g. hydrogen filling stations for cleanmobility applications, to enable a future hydrogen economy

Charging a Liquid Organic Hydrogen Carrier System with H 2 /CO 2 Gas Mixtures

Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) systems have attracted growing attention in recent years as efficient way to store and transport hydrogen in the existing infrastructures for liquid fuels. This contribution highlights the additional feature that hydrogenation of the LOHC compound dibenzyltoluene with technical relevant H2/CO2 gas mixtures (up to 30 % CO2) gives access to hydrogen purification and hydrogen storage in one single process step. Alumina supported Rh and Pd catalysts proved to be especially suitable for this task. The rhodium catalysts enabled efficient aromatics hydrogenation in the temperature range of 120 °C to 150 °C with moderate methane formation (CH4/CO2<0.1 at 150 °C). The palladium catalyst showed the lowest selectivity to methane formation (CH4/CO2<0.1 at 270 °C) and promising hydrogenation activity at temperatures above 200 °C even in the presence of CO and CO2

Operational Stability of a LOHC-Based Hot Pressure Swing Reactor for Hydrogen Storage

Apart from hydrogen logistics, stationary hydrogen storage applications using Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) systems are also of significant interest. In contrast to the traditional use of separate hydrogenation and dehydrogenation reactors, our so‐called oneReactor technology offers the advantages of a simpler storage unit layout and high dynamics in switching from hydrogen charging to hydrogen release. Here we report repeated hydrogenation and dehydrogenation cycles with one batch of liquid carrier for LOHC stability tests under defined hydrogenation and dehydrogenation conditions. We demonstrate up to 13 hydrogenation/dehydrogenation cycles over a total of 405 h of operation including two long dehydrogenation sequences over weekends. In general, longer dehydrogenation runs, i. e. exposure of the LOHC to catalyst at low hydrogen pressure and elevated temperatures (>280 °C), showed negative effects on both activity of the subsequent cycles and by‐product formation. Concerning catalyst activity and hydrogen productivity, stable productivity was achieved (within 3 to 9 cycles) under all conditions tested. Longer hydrogenation runs led to significantly higher stability of the reaction system

Charging a Liquid Organic Hydrogen Carrier with Wet Hydrogen from Electrolysis

In this contribution we explore the combination of hydrogen production via electrolysis with subsequent storage of the hydrogen via catalytic hydrogenation of the LOHC compound dibenzyltoluene (H0-DBT) without hydrogen drying. The objective is to investigate the influence of water on the performance of Pt, Pd, Rh, and Ru (all alumina-supported) catalysts in the hydrogenation of H0-DBT. Our study shows that H0-DBT can be readily and fully hydrogenated even in the presence of a large excess of water, i.e., through the use of a water-saturated LOHC-phase. The hydrogenation activity of the ruthenium catalyst is hardly affected by water, while a slight decrease in hydrogenation activity was found in the presence of water for the applied Rh, Pt, and Pd catalyst. We conclude that wet hydrogen may be utilized in charging the LOHC compound H0-DBT, and thus, energy and drying equipment for producing dry hydrogen can be saved in the production of the hydrogen-rich carrier perhydro dibenzyltoluene (H18-DBT)