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Synthetische Kraftstoffe

Bringt der 3D-Druck den Durchbruch für Synthetische Kraftstoffe aus CO2?

| Redakteur: Dominik Stephan

Dr. Falk Schulze-Küppers mit der neuen Gastrennmembran an deren Oberflächend die Katalysator-Schichten aufgebracht sind.
Dr. Falk Schulze-Küppers mit der neuen Gastrennmembran an deren Oberflächend die Katalysator-Schichten aufgebracht sind. (Bild: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer)

Bringt die Co-Elektrolyse synthetische Kraftstoffe und Chemikalien auf CO2- und Wasserbasis? An dieser Vision arbeitet das Projekt Prometheus des Forschungszentrum Jülich mit WZR Ceramic Solutions sowie der Aristoteles-Universität Thessaloniki und dem Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum. Jetzt wollen die Forscher mittels 3D-Druck einen Membranreaktor für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit extradünnen Zellen entwickelt haben, der deutlich effizienter und günstiger sein als bisherige Anlagen sein soll.

Jülich (DST) – Die Co-Elektrolyse ist ein neuer, sehr effizienter Weg, um aus CO2 und Wasser synthetische Kraftstoffe und Chemikalien herzustellen. Das könnte es Autos, aber auch LKWs, Flugzeugen und Schiffen ermöglichen, praktisch klimaneutral fahren. Zudem könnte die Technologie als Energiesspeicher genutzt werden, um Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie auszugleichen.

Im Projekt Prometheus wollen Jülicher Forscher gemeinsam mit der WZR Ceramic Solutions sowie der griechischen Aristoteles-Universität Thessaloniki und dem Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum nun mittels 3D-Druck einen Membranreaktor für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit extra dünnen Zellen entwickeln. Dieser soll deutlich effizienter und kostengünstiger sein als bisherige Anlagen, die sich größtenteils noch in einem experimentellen Stadium befinden - und, was das wichtigste ist, die Reaktion in einem einzigen Schritt ermöglichen,

Sprit aus der Retorte - Darum geht es:

Synthetische Kraftstoffe sind eine mögliche Lösung, um Verbrennungskraftwerke und –motoren oder industrielle Anlagen klimaschonend zu betreiben. Zumindest dann, wenn die dafür benötigte Energie aus regenerativen Quellen stammt. Werden sie verbrannt, setzen sie nur das CO2 frei, das bei der Herstellung der Stoffe gebunden wurde.

Synthetische Kraftstoffe sind „von Natur aus rein“ und verbrennen nahezu schadstofffrei. Stickoxide oder Feinstaub werden so erst gar nicht in größeren Mengen freigesetzt. Weil sie sich gut transportieren und lagern lassen, sind sie darüber hinaus als Speicher für die Energiewende geeignet. Ins Gasnetz eingespeist, könnten sie bei Bedarf in Gaskraftwerken rückverstromt werden, wenn Sonne und Wind allein nicht genügend Energie liefern.

Die Preise für synthetische Kraftstoffe sind im Vergleich zu fossilen Rohstoffen allerdings noch recht hoch und stehen der Produktion größerer Mengen entgegen. Das noch recht neue Verfahren der Co-Elektrolyse stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Kosten für die Herstellung zu senken. Die Methode gilt als sehr effizient, steckt aber noch in den Kinderschuhen.

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Was bringt die Co-Elektrolyse?

Die neue Technik macht es möglich, synthetische Chemikalien und Kraftstoffe direkt in einem Schritt herzustellen. Gängige Verfahren setzen dagegen mehrere Prozessschritte voraus. Im Projekt Prometheus verfolgen Jülicher Forscher die Entwicklung eines Membranreaktors für die Co-Elektrolyse, in dem mehrere chemische Reaktionen möglich sind. Kernelement ist eine keramische Membran, die für Wasserstoff- und Sauerstoffionen durchlässig ist. An ihren Oberflächen befinden sich Katalysator-Schichten, die den Ablauf der gewünschten Umwandlungsreaktionen vorantreiben.

„Die Effizienz des Verfahrens hängt von mehreren Faktoren wie Membrandicke, Oberflächenaktivität und Porosität des Trägermaterials ab, die es im Projekt zu optimieren gilt“, erklärt Projektleiter Prof. Wilhelm Meulenberg vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.

Um den Durchfluss zu steigern, haben die Forscher die Membran als hauchdünne Schicht ausgelegt. Mit 10 – 50 Mikrometer ist sie gerade einmal so dick wie ein menschliches Haar. Denn je geringer die Materialstärke, desto geringer ist auch der Transportwiderstand und desto mehr Wasserstoff kann die Membran in gleicher Zeit passieren.

3D-Druck für das Reaktordesign

Um die notwendige mechanische Stabilität zu erzielen, wird die Membranschicht auf ein wesentlich dickeres poröses Trägermaterial aufgebracht. Der Einsatz von 3D-Keramik-Druckverfahren, auf die sich die am Projekt beteiligte WZR Ceramic Solutions spezialisiert hat, bietet dabei gleich mehrere Vorteile.

„Zum einen ermöglichen es die Verfahren, einen Träger mit maßgeschneiderter Porenstruktur herzustellen, der für den Gastransport optimierte Porenkanäle enthält. Zum anderen trägt der 3D-Druck aber auch dazu bei, die späteren Herstellungskosten für die Membranzellen gegenüber mehrstufigen Gieß- und Sinterprozessen deutlich zu reduzieren“, sagt Wilhelm Meulenberg.

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WZR Ceramic Solutions entwickelt unterschiedliche Verfahren der Additiven Fertigung (3D-Druck) für industrielle Anwendungen. „Neben der geometrischen Freiheit der neuen Verfahren, eröffnet auch die Möglichkeit Werkstoffe auf mikroskopischer Ebene lokal zu verändern bzw. zu kombinieren ganz neue Produkte. Mit keinem anderen Prozess gelingt es das Gefüge keramischer Werkstoffe lokal zu modifizieren und den Anforderungen an ein Bauteil exakt anzupassen. Dieses Potential wollen wir nun für die Fertigung von optimierten Trägern nutzen,“ ergänzt Wolfgang Kollenberg (CEO, WZR Ceramic Solutions).

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So fördert der Bund die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung anteilig mit rund 350.000 Euro im Rahmen des Deutsch-Griechischen Forschungs- und Innovationsprogramms über eine Laufzeit von drei Jahren gefördert. Wenn alles gut läuft, wollen die Forscher zum Ende des Projektes ein funktionsfähiges Konzept für einen Low-Cost-Membranreaktor präsentieren, mit dem sich Methan (CH4), Methanol (CH3OH) und Synthesegas (CO+H2) herstellen lassen.

Ein möglicher End-Anwender der Technologie ist bereits involviert: das griechische Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum (Helpe) mit seiner Erneuerbare-Energien-Sparte Helpe RES, das für das Projekt eine Machbarkeits- und Umsetzungsstudie erstellt.

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