Raman-Spektroskopie in dynamischen Anlagen für grünes Ammoniak und grünes Methanol

Vor dem Hintergrund der weltweit voranschreitenden Energiewende entwickeln sich grünes Ammoniak (oder E-Ammoniak) und grünes Methanol (oder E-Methanol) zu neuen wichtigen Ansätzen bei der Dekarbonisierung der chemischen Industrie und für den Transport von Wasserstoff. Diese nachhaltigen Chemikalien werden in dynamischen, rasch einsatzfähigen Anlagen hergestellt, die vom Betrieb mit kostengünstigem Strom aus erneuerbaren Quellen profitieren. Dadurch bieten diese Chemikalien skalierbare und flexible Wege zur Reduzierung der CO₂-Emissionen und stellen eine saubere Quelle für transportierbaren Wasserstoff bereit. Die Gewährleistung von Qualität und Konsistenz von grünem Ammoniak und grünem Methanol in sich verändernden Umgebungen ist ein kritischer Faktor in den Bereichen, in denen Leistung, Sicherheit und Einhaltung von Umweltvorschriften eng mit der Qualität der Brenn- oder Ausgangsstoffe verknüpft sind.

• Chemische Industrie (Ausgangsstoffe für die Synthese) für Ertrag und Produktqualität
• Stromerzeugung (Brennstoffzellen und Turbinen)
• Verbrennungsmotoren
• Maritime Antriebssysteme
• Wasserstoffträger und -speicherung (für grünes Ammoniak)

Die Raman-Spektroskopie erweist sich als leistungsfähiges Werkzeug in diesem Bereich. Durch ihre Fähigkeit zu Echtzeit-Analysen kann sie selbst unter veränderlichen Betriebsbedingungen eine gleichbleibende Produktqualität sicherstellen – und unterstützt so die breitere Einführung von grünem Ammoniak und grünem Methanol als zuverlässige Hochleistungs-Ausgangsstoffe und E-Fuels.

Dynamische Anlagen für grünes Ammoniak und grünes Methanol sind auf einen flexiblen Betrieb ausgelegt. Sie können die Produktionslast um bis zu 3 % pro Minute anpassen und selbst bei nur 10 % der Nennkapazität eine stabile Leistung aufrechterhalten. Diese Agilität ermöglicht es ihnen, in Echtzeit auf Schwankungen in der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien zu reagieren, die verfügbare Betriebszeit zu maximieren und die Abhängigkeit von Speichermöglichkeiten zu minimieren.  

• Höhere verfügbare Betriebszeit
• Längere Betriebslebensdauer
• Geringerer Bedarf an teurer Wasserstoff- oder Energiespeicherung

Anlagen wie REDDAP (Renewable Dynamic Distributed Ammonia Plant) in Dänemark demonstrieren, wie grüne Kraftstoffe kosteneffektiv hergestellt werden können, indem sie in Echtzeit auf den Strompreis reagieren: Die Produktion wird hochgefahren, wenn erneuerbare Energie reichlich verfügbar und preiswert ist. Um diese Agilität zu unterstützen, sind schnelle und genaue Messungen als Eingangsdaten sehr wichtig – die Raman-Spektroskopie wird damit zu einer kritischen Technologie, die dies erst ermöglicht.

Die Sicherstellung der Qualität von grünem Ammoniak und grünem Methanol ist eine entscheidende Voraussetzung für deren Nutzung als Ausgangsstoff in Düngemitteln, Pharmazeutika und Industriechemikalien. Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:

• Verunreinigungen – Kontaminationsstoffe wie Sauerstoff, Stickoxide und Kohlenmonoxid können die Reinheit und Leistungsfähigkeit des Produkts gefährden.
• Prozessvariabilität – Schwankungen bei erneuerbaren Energiequellen können zu Inkonsistenzen im Produktionsprozess führen und dadurch Stabilität und Qualität beeinträchtigen.
• Langsam reagierende Instrumente – Bei traditionellen Methoden der Qualitätskontrolle, z. B. mit Gaschromatographen, werden die Ansprechzeiten im Minutenbereich gemessen, während es bei Offline-Probenahmen Stunden oder sogar Tage dauern kann, bis Ergebnisse vorliegen.

Die Raman-Spektroskopie verbessert die nachhaltige Produktion durch die Bereitstellung einer nichtinvasiven Echtzeit-Lösung für die Überwachung der Gaszusammensetzung über die gesamten Prozesse der Ammoniak- und Methanolsynthese. Raman-Systeme können an wichtigen Messpunkten installiert werden, beispielsweise:

• Reaktorzulauf – zur stöchiometrischen Regelung des Wasserstoff-Stickstoff-Verhältnisses (H₂/N₂) für die Ammoniakproduktion und des Wasserstoff-CO/CO₂-Verhältnisses für die Methanolproduktion
• Synthese-Loop zur Gasrückführung – zur Überprüfung der Zusammensetzung
• Spülgasstrom – zur kontinuierlichen Überwachung und Inertgasregelung

Die Produktion von grünem Ammoniak (NH₃) und grünem Methanol (CH₃OH) ist abhängig von erneuerbaren Energiequellen, bei denen die Stromerzeugung natürlichen Schwankungen unterworfen ist. Dynamische Ammoniak-Loops überwinden diese Einschränkungen. Sie können ihre Last um einige Prozent pro Minute anpassen und sogar bei nur 10 % ihrer Nennkapazität zuverlässig arbeiten. Diese Flexibilität bietet den Anlagen die Möglichkeit, die Produktion auf die Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie abzustimmen und dadurch ihre eigene Betriebszeit zu maximieren, die Lebensdauer der Anlagenkomponenten zu verlängern und den Bedarf für eine teure Wasserstoff- oder Stromspeicherung zu verringern. Kurz gesagt, ist ein dynamischer Betrieb der entscheidende Faktor, um das volle Potenzial von grünem Ammoniak und grünem Methanol zu erschließen.

Die Raman-Spektroskopie ermöglicht schnelle Ansprechzeiten für einen flexiblen Betrieb und liefert in Echtzeit Einblicke in die Gaszusammensetzung. Dies macht sie zur einem äußerst wichtigen Technik für die Aufrechterhaltung der Produktqualität unter schwankenden Bedingungen. Zu ihren Hauptvorteilen gehören:

• Schnellere Ansprechzeit als Gaschromatographen (GCs)
• Keine Trägergase erforderlich
• Echtzeit-Überwachung wichtiger Gasverhältnisse wie H₂/N₂ oder H₂/COund CO₂
• Minimale Wartung und Wegfall von Verbrauchsmaterialien
• Geringerer Bedarf an Systemen zur Probenaufbereitung
• Bei der Installation wird kein Wetterschutz benötigt
• Geeignet für allgemeine Bereiche – kein geschlossener Raum erforderlich

• Raman-Analysator / -Spektrometer (idealerweise mit mehreren Kanälen)
• Raman-Sonden / Sensoren
• Raman-Methode
• LWL-Kabel
• Schnittstelle für die Beprobung
• Integriertes Rack

Im Dekarbonisierungswettlauf zählen Geschwindigkeit und Präzision. Die Raman-Spektroskopie versetzt Anlagen für grünes Ammoniak und grünes Methanol in die Lage, zuverlässig CO₂-arme Kraftstoffe in hoher Qualität zu liefern. Mit der weiteren Verbreitung dynamischer Produktionsmodelle werden fortschrittliche Analysetechniken wie z. B. Raman eine sehr wichtige Funktion bei der Skalierung von Lösungen für grüne Ausgangsstoffe und E-Fuels übernehmen. Durch die Gewährleistung einer gleichbleibend hohen Qualität unter veränderlichen Bedingungen spielt die Raman-Spektroskopie eine entscheidende Rolle bei der Produktion von grünem Ammoniak und grünem Methanol im großen Maßstab.

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