IMOKAT: Edelmetallfreier Katalysator zur Methanoxidation

Ziel des Projekts »IMOKAT – Entwicklung eines innovativen Methanoxidationskatalysators zur Senkung der Abgasemissionen von Schiffen im Gasbetrieb« war es, einen edelmetallreduzierten oder bestenfalls edelmetallfreien Katalysator für die Oxidation von Methan zu entwickeln. Unter Zusatz von Stickstoffdioxid als Oxidationsmittel und bei Drücken bis zu 5 bar sollte der Katalysator einen Methanumsatz von mindestens 60 Prozent bei einer Temperatur von weniger als 550 °C erreichen. Dabei sollte das Methan möglichst vollständig oxidiert werden, um die Bildung von Nebenprodukten wie Kohlenstoffmonoxid oder Formaldehyd zu minimieren. Ebenfalls im Fokus stand die Frage, was die beste Herstellungsmethode für einen entsprechenden Wabenkatalysator ist: Extrusion, Imprägnierung oder Tauchbeschichtung.

Die Abgasnorm IMO Tier III der International Maritime Organisation begrenzt die Stickstoffoxid-Emission von Schiffen, um Umwelt und Klima zu schützen. Eine Option, den NO_x-Ausstoß zu reduzieren, besteht darin, von konventionellen Diesel- zu Gasmotoren zu wechseln. Allerdings führt die Nutzung von gasbasierten Kraftstoffen zu einer weiteren Herausforderung: Das im Gas enthaltene Methan verbrennt nur unvollständig, landet im Abgas und trägt zur globalen Erwärmung bei. Die Lösung: der Einsatz von Katalysatoren zur Methanoxidation.

Bislang läuft die Methanoxidation vor allem über edelmetallhaltige Katalysatoren. Sie bringen zwei Nachteile mit sich: Zum einen reagieren sie mit dem in Kraftstoff und Motorenöl enthaltenen Schwefel und werden dadurch in ihrer Wirksamkeit eingeschränkt. Zum anderen sind die Kosten für Edelmetalle schwer kalkulierbar und in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Im Rahmen von IMOKAT sollte daher am Fraunhofer UMSICHT ein edelmetallreduzierter oder edelmetallfreier Katalysator entwickelt werden, der eine hohe mechanische wie chemische Stabilität mitbringt.

Im Fokus des Projekts stand beim Fraunhofer UMSICHT die Entwicklung eines Abgaskatalysators auf Basis von Cer und Mangan. Tests aussichtsreicher Katalysatormuster im Labormaßstab zeigten, dass der Cer-Mangan-Katalysator für die Methanoxidation unter schiffsspezifischen Prozessbedingungen geeignet ist. Auf Basis dieser Ergebnisse wird der Cer-Mangan-Katalysator weiter optimiert.

Darüber hinaus kamen die Forschenden zu dem Ergebnis, dass die Extrusion die beste Synthesemethode für edelmetallfreie Wabenkatalysatoren ist. Sowohl die Imprägnierung als auch die Tauchbeschichtung, bei denen jeweils ein dünner Katalysatorfilm auf ein Trägermaterial aufgebracht wird, konnten die geforderten Methanumsätze nicht erzielen. Nur bei der Extrusion lässt sich eine hohe Menge an Katalysatormaterial einbringen, ohne das Hohlräume durch aufgebrachte Schichten verstopft werden. Auch in diesem Bereich sind weitere Optimierungen geplant.

• MAN Energy Solutions SE
• Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Technische Chemie
• Technische Universität München, Lehrstuhl für Technische Chemie I