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CO2 als Kohlenstoffquelle

Katalysatoren für den Klimaschutz

| Redakteur: Alexander Stark

In diesem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren können die Forscher Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen im Hochdurchsatz testen.
In diesem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren können die Forscher Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen im Hochdurchsatz testen. (Bild: Fraunhofer IGB)

Um dem Klimawandel entgegenzuwirken hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB verschiedene neue technologische Lösungen entwickelt. So soll das bei Verbrennungsprozessen entstehende Treibhausgas Kohlenstoffdioxid nutzbar gemacht werden: als Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien, Kraftstoffen oder chemischen Energiespeichern.

Stuttgart – Wie kann Deutschland seine Klimaziele noch erreichen? Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB macht das Treibhausgas CO2 als Kohlenstoffquelle für die Chemie nutzbar: Mit einer patentierten Katalysatorsynthese, dem Screening nach dem optimalen Katalysator im Hochdurchsatz und kombinierten (elektro-)chemisch-biotechnologischen Prozessen stehen der CO2 verursachenden Industrie verschiedene Konzepte zur Verfügung. In einem elektrochemischen Demonstrator mit 130 Quadratzentimeter Elektrodenfläche wurde die Plattformchemikalie Ethen bereits erfolgreich aus CO2 hergestellt.

Zentrale Akteure der chemischen oder elektrochemischen Umwandlungsprozesse von CO2 sind Katalysatoren. Sie beschleunigen die Reaktionen, werden selbst aber nicht verbraucht. Im Auto zum Beispiel wandelt der „Katalysator“, zumeist Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder Palladium, über viele Jahre hinweg giftige Stoffe im Abgas um. Das Fraunhofer IGB optimiert dabei nicht nur die Katalysatoren. Die Forscher entwickeln auch neue Verfahren und konstruieren entsprechende Apparate, um CO2 elektrochemisch – mit Strom aus erneuerbaren Energien – oder chemisch umzuwandeln, oder kombinieren diese mit biotechnologischen Verfahren.

Event-Tipp der Redaktion Die von PROCESS mitorganisierte diesjährige VIK-Jahrestagung unter dem Motto „Industrie & Klimaschutz – Nicht auf das Ob, sondern das Wie kommt es an!“ am 23. Oktober 2019 in Berlin ist das Spitzentreffen der industriellen und gewerblichen Energiewirtschaft und der energieintensiven Branchen. Hier treffen Vorstände, Geschäftsführer, Energiestrategen und Energiemanager der energieintensiven Unternehmen im Dialog und Austausch auf Politik und Wissenschaft. Das diesjährige Programm vereint den Blick auf Wege zum Klimaschutz sowie auf Versorgungssicherheit.

Optimierte Katalysatorsynthese zur Herstellung von regenerativem Methanol

Das Metall Kupfer spielt bei der Synthese von regenerativem Methanol aus CO2 und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff als Katalysator eine Hauptrolle. Methanol ist ein vielseitiger chemischer Grundstoff, der auch für den Energiesektor immer wichtiger wird, sei es als Kraftstoffadditiv für Verbrennungsmotoren wie auch als Energieträger in Brennstoffzellen. Laut einer Studie der Dechema ließen sich pro Tonne Methanol immerhin bis zu 1,5 Tonnen CO2-Emissionen vermeiden, wenn Methanol nicht aus fossilen Rohstoffen, sondern aus CO2 oder anderen regenerativen Rohstoffen synthetisiert würde (A. M. Bazzanella, F. Ausfelder, Dechema e.V. Technology Study – Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry, Dechema, 2017).

Die Katalysatoren für die Methanolsynthese werden aus kupferhaltigen Lösungen hergestellt, bisher mittels aufwändiger Fällprozesse über mehrere Zwischenstufen. Um bei der Katalysatorsynthese im industriellen Maßstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, wurde das Verfahren für den kontinuierlichen Betrieb optimiert.

Pilotanlage nimmt Produktion von Methanol aus Hüttengas auf

Carbon2Chem

Pilotanlage nimmt Produktion von Methanol aus Hüttengas auf

01.08.19 - Hüttengas aus der Stahlproduktion als Rohstoffquelle für die chemische Industrie erschließen: Das ist Ziel des vom BMBF geförderten Verbundprojekts Carbon2Chem. Seit Juli 2019 produziert eine Pilotanlage des Projekts nun Methanol. Künftig soll sie dazu das Hüttengas des Stahlwerks in Duisburg nutzen. lesen

Eine weitere zum Patent angemeldete Methode zur Katalysatorsynthese basiert auf der Auflösung von Metallverbindungen in sogenannten stark eutektischen Lösungsmitteln. Mit diesem Verfahren könnten Katalysatoren unterschiedlichster Elementzusammensetzung hergestellt und damit hinsichtlich ihrer Effizienz optimiert werden – nicht nur für die Herstellung von Methanol, sondern auch für andere chemische und elektrochemische Syntheseprozesse, erklärt Dr. Lénárd Csepei, der die Arbeiten am Institutsteil Biocat in Straubing vorangetrieben und das Verfahren zum Patent angemeldet hat.

Suche nach dem besten Katalysator im Hochdurchsatz

Bei allen Syntheseprozessen entscheidet vor allem die Leistungsfähigkeit des Katalysators, ob das gewünschte Produkt wirtschaftlich herstellbar ist. Einer der wichtigsten Faktoren sei die möglichst hohe Ausbeute an gewünschtem Produkt. Nebenprodukte sollen möglichst nicht entstehen, so Csepei. Um zu überprüfen, welcher Katalysator am besten für die Umsetzung geeignet ist, screenen die Fraunhofer-Forscher die in Frage kommenden Kandidaten in verschiedenen Reaktorsystemen.

In einem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren können die Forscher Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen – etwa unterschiedlichen Synthesegasgemischen, Drücken und Temperaturen – im Hochdurchsatz testen. Dabei werden die Reaktionen in Echtzeit analytisch verfolgt, sodass die entstehenden Produkte direkt quantitativ erfasst werden. Ein Reaktorsystem für die Testung von Katalysatoren bei Atmosphärendruck haben die Forscher selbst entworfen und gebaut. Mit diesem Aufbau untersucht das Institut sich anschließende Reaktionskaskaden, also eine weitere katalytische Umsetzung, etwa mit biotechnologischen Methoden.

Vom Katalysator zum Demonstrator

Aufbauend auf den optimierten Katalysatoren hat das IGB am Beispiel der elektrochemischen Herstellung von Ethen, einem der wichtigsten Ausgangsstoffe der chemischen Industrie, im Fraunhofer-Leitprojekt „Strom als Rohstoff“ einen vollautomatisierten Prototyp gebaut. Kernstück ist eine eigens entwickelte elektrochemische Zelle: Diese überträgt die Elektronen für die Reaktion von CO2 auf einen wässrigen Elektrolyten und bringt diesen an einer porösen Gasdiffusionselektrode mit Katalysator und gasförmigem Kohlenstoffdioxid gezielt in Kontakt.

Mit dieser Anlage produzieren die Wissenschaftler auf 130 Quadratzentimetern Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren Ethen aus CO2 und Wasser in einem einzigen Schritt. Vergleichbare Ergebnisse für diesen Elektrosyntheseprozess seien bislang nur im Labormaßstab erzielt worden, so Dr. Carsten Pietzka, der in Stuttgart forscht. Der konstruktive Aufbau des Demonstrators ist auf andere Elektrosyntheseprozesse übertragbar und ermöglicht Screenings von Katalysator- und Elektrodenmaterialien im nächstgrößeren Maßstab.

Wissenschaftlicher Austausch für grüne Chemie

Nachhaltigkeits-Projekt

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30.07.19 - Gemeinsam mit der äthiopischen Universität Addis Ababa hat das Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion ein Projekt gestartet, in dem aus einem „Unkraut“ nachhaltige chemische Produkte erzeugt werden sollen. lesen

Ab 2020 sollen mit der neuen Fraunhofer-Elektrolyseplattform in Leuna elektrochemische Synthesen auch in den industrienahen Maßstab skaliert werden, so Ulrike Junghans, die am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, dem Institutsteil Leuna des IGB, forscht. In dem von ihr geleiteten und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt „Synlink“ soll auf dieser Plattform demonstriert werden, dass sich mit erneuerbarer Energie aus H2O und CO2 – mittels Adsorption aus der Luft – Synthesegas herstellen lässt, das weiter chemokatalytisch zu Methanol und Kraftstoffen umgesetzt wird.

Hochwertige Chemikalien durch Kombination von Chemie und Biotechnologie

Chemisch oder elektrochemisch aus CO2 hergestellte Chemikalien sind nur dann konkurrenzfähig zu petrochemischen Erzeugnissen, wenn entsprechend große Mengen hergestellt werden und ausreichend kostengünstiger Strom zur Verfügung steht. Für typische kleine, dezentrale CO2 emittierende Anlagen – etwa Biogasanlagen oder Brauereien – trifft dies zumeist nicht zu.

Damit die Wertschöpfung für regeneratives Methanol auch im kleineren Maßstab ein profitables Geschäft wird, haben die Fraunhofer-Forscher einen neuen Ansatz verfolgt und die chemische Synthese in einem kürzlich patentierten Verfahren mit einer anschließenden biotechnologischen Fermentation zu höherwertigen Chemikalien kombiniert. Über eine neue Reaktionsführung wird Methanol dabei zum Zwischenprodukt und – ohne weiteren Aufarbeitungsschritt – in bestimmten Zeitabständen direkt in einen Fermenter gepumpt. Die Mikroorganismen wachsen mit Methanol als einziger Kohlenstoffquelle und produzieren Milchsäure, Isopren, Polyhydroxybuttersäure und langkettige Terpene. Wertvolle Produkte, die sich mit herkömmlichen chemisch-katalytischen Verfahren nur über aufwendige, mehrstufige Synthesen gewinnen lassen.

Es ist das erklärte Ziel der Wissenschaftler, diese vielversprechenden katalytischen Systeme und Verfahren zur Nutzung von CO2 gemeinsam mit Partnern aus der Industrie bis zur Einsatzreife weiterzuentwickeln, um auf diese Weise ihren Beitrag gegen den Klimawandel zu leisten.

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