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Katalysator-Entwicklung für Power-to-X Möglichmacher der Zukunft: Warum ohne Katalysatoren bei Power-to-X nichts geht

Von Dominik Stephan*

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Katalysatoren, Membranen und Co stehen im Mittelpunkt von Power-to-X-Prozessen – Sie schaffen das scheinbar Unmögliche: Industrie und Forschung arbeiten fieberhaft an Verfahren, die aus Energie und Abgas Benzin, Olefine oder Gas machen. Doch damit aus Reststoffen wieder Rohstoffe werden, braucht es Möglichmacher. Ein Fall für Katalysator-Spezialisten...

Versuchsaufbau inklusive Hochdruckzelle zur Fischer-Tropsch Messkampagne an der CAT-ACT Messlinie am KIT Synchrotron.
Versuchsaufbau inklusive Hochdruckzelle zur Fischer-Tropsch Messkampagne an der CAT-ACT Messlinie am KIT Synchrotron.
(Bild: Tiziana Carambia)

Wie aus Kohlenwasserstoffen Energie wird, ist schnell erklärt – doch wie sollen mithilfe von Energie aus inaktiven Reaktionsprodukten wieder Rohstoffe werden? Ist es möglich, Verbrennungsprozesse quasi „rückwärts“ abzuspulen und wieder da zu landen, wo man begann? Das ist, ganz vereinfacht ausgedrückt, die Vision hinter allen „Power-to-X“-Verfahren. Mithilfe überschüssiger Energie synthetische Rohstoffe, Gase oder Brenn- und Treibstoffe herstellen und so nicht nur die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen durchbrechen, sondern auch (zumindest solange Strom aus „nachwachsenden“ Energien zum Einsatz kommt) eine weitgehend klimaneutrale Form der Energiespeicherung zu finden. Die Prozesse, die dafür zum Einsatz kommen, unterscheiden sich je nach Zielmolekül deutlich. Eines haben aber die meisten von Ihnen gemeinsam: Sie benötigen passende Verfahren, inklusive entsprechender Reaktoren, Membrane und Katalysatoren.

Da als Kohlenstoffquelle häufig etwa Kohlenmonoxid oder CO2 genutzt werden, wird häufig in einem Zwischenschritt zusammen mit Wasserstoff eine Art Synthesegas erzeugt. Dieses kann anschließend mittels einer abgewandelten Fischer-Tropsch-Synthese „verflüssigt“ werden. Die Reaktion – eigentlich ein alter Bekannter aus Zeiten der Kohleverflüssigung – erfährt im Power-to-X-Kontext ganz neues Interesse.

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Und das nicht ohne Grund, sind doch die dabei ablaufenden Prozesse auch über hundert Jahre nach ihrer Entdeckung wissenschaftlich nicht vollständig verstanden: „Das betrifft vor allem die strukturellen Veränderungen der für den Prozess notwendigen Katalysatoren unter industriellen Bedingungen“, sagt Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. „Während der Reaktion können sich unerwünschte Nebenprodukte bilden oder es kann zu störenden strukturellen Änderungen des Katalysators kommen. In welcher Form das während der Reaktion genau geschieht und welche Auswirkungen das auf den Gesamtprozess hat, wurde bislang nicht ausreichend erklärt.“ Zur Erinnerung: Es geht hier um ein Verfahren, das in den 1920ern entwickelt und rund um die Welt im großen Stil eingesetzt wurde.

Wasserstoff wird effizient? Die Membran macht's möglich!
Wasserelektrolyse

Wer über Power-to-X spricht, meint in den meisten Fällen Wasserstoff zumindest mit: Ob aus CO2 und Wassertoff synthtisches Erdgas wird oder Syngas-Alternativen mittels Reverse-Wasser-Shift-Reaktion entstehen, das leichte Gas ist nie weit. Auch als Energiespeicher oder Antrieb für Brennsoffzellen ist H2 gefragt. Dabei geht es vor allem um mittels regenerativer Energie erzeugten Elektrolysewasserstoff. Dieser ist allerdings deutlich teurer als die konventionelle Herstellungaus Methangas unter Bildung von Kohlendioxid. Zentrale Komponente des Elektrolyseurs, die Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit ganz wesentlich beeinflusst, ist eine ionenleitende Membran.

Genau da will die neuentwickelte anionenleitende Membran (AEM für Anion Exchange Membrane) von Evonik ansetzen: Die Elektrolyse mit anionenleitenden Membranen hat gegenüber anderen elektrolytischen Verfahren wie der klassischen Flüssig-Elektrolyse mit Diaphragma (AEL) oder der neueren PEM-Elektrolyse (kurz für Proton Exchange Membrane) unter sauren Bedingungen klare Vorteile. Die AEM-Elektrolyse verspricht geringere Investitionskosten, denn der Betrieb unter alkalischen Bedingungen ermöglicht edelmetallfreie und damit deutlich preiswertere Werkstoffe für die Zellen. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch eine hohe Stromdichte, eine sehr gute Effizienz und hohe Flexibilität in der Stromeinspeisung aus.

Jetzt soll ein Konsortium mit Partnern aus Industrie und Forschung (darunter Shell, Enapter, das FZ Jülich, die Technisch-Naturwissenschaftliche Universität Norwegens und Sintef) im Forschungsprojekt "Channel" („Cost-efficient Hydrogen production unit based on ANionN exchange membrane Electrolysis“.) eine entsprechende Elektryolseanlage in der Praxis testen.

Katalysator bei der Arbeit: Atome unter der Lupe

Jetzt wollen die Forscher am KIT Licht ins Dunkel bringen: Mittels Röntgenstrahlung aus einem Synchrotron beobachteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Karlsruhe erstmals einen Katalysator während der Reaktion zur Produktion von synthetischen Kraftstoffen unter industriellen Bedingungen. Das Ziel: Mit dem gewonnenen Wissen maßgeschneiderte Power-to-X-Katalysatoren zu entwickeln.

Zusammen mit P2X-Expertinnen und Experten aus dem Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) und dem Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) gelang der Blick ins Herz des Verfahrens: „Bei der Untersuchung nutzen wir Methoden der Synchrotronforschung, nämlich die Röntgenabsorptionsspektroskopie und die Röntgenbeugung“, sagt Marc-Andrée Serrer vom IKFT. „Damit konnten wir erstmals einem FTS-Katalysator quasi auf atomarer Ebene unter realen Prozessbedingungen bei der Arbeit zusehen.“

Zwar wurden katalytische Reaktionen bereits zuvor mit einem Synchrotron – einem speziellen Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung von besonders intensiver Röntgenstrahlung untersucht. Aber Reaktionen, die wie im Realbetrieb einer P2X-Anlage über einen längeren Zeitraum sowie unter hohen Temperaturen und Drücken stattfinden, stellten bislang eine unüberwindliche Hürde dar.

Also wurde am KIT extra eine neue Hochdruck-Infrastruktur an der für Katalysatorstudien designierten CAT-ACT-Messlinie (CATalysis und ACTinide Messlinie) des hauseigenen Synchrotron aufgebaut. Auf diese Weise gelang es dem Team, die Arbeitsweise eines kommerziellen Kobalt-Nickel-Katalysators bei realitätsnahen Reaktionsbedingungen von 250 Grad Celsius bei 30 bar Druck für mehr als 300 Stunden bei der Fischer-Tropsch-Synthese zu untersuchen. Ebenfalls neu: Erstmals wurden bei einem solchen Experiment, genügend Kohlenwasserstoffe produziert, um diese anschließend zu analysieren.

Mit dem Synchrotron zum Katalysator

Dabei entdeckten die Entwickler Kohlenwasserstoffablagerungen im Katalysator, die eine Diffusion der reaktiven Gase erschweren. „Im nächsten Schritt kann dieses Wissen dazu verwendet werden, den Katalysator speziell gegen diese Deaktivierungsmechanismen zu schützen“, sagt Grunwaldt. „Das geschieht etwa durch die Modifikation mit Promotoren, also Stoffen, welche die Eigenschaften des Katalysators verbessern.“ Perspektivisch soll das neuartige atomare Verständnis von katalytischen Reaktionen auch Computersimulationen zur schnellen, ressourcenschonenden und kostengünstigen Entwicklung von maßgeschneiderten Katalysatoren für P2X-Prozesse ermöglichen.

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Denn es sind die Katalysatoren, die Power-to-X-Verfahren überhaupt erst möglich machen – So auch bei den deutschen Power-to-X-Shootingstars von Ineratec. Auch das Karlsruher Start-Up und KIT-Spin-Off setzt auf Methanisierung und Fischer-Tropsch-Reaktion, um aus CO2 und Wasserstoff „grünes“ Gas oder Benzin zu gewinnen. Die Besonderheit: Die jungen Wilden der Power-to-X-Szene nutzen dabei mikrostrukturierte Reaktoren mit einer innovativen Verdampfungskühlung, die eine optimale Balance zwischen Temperaturführung und Kühlflächenbelastung ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich effiziente Reaktionsführung und hohe Konversionsraten verbinden und zugleich Wasser als ungiftiges und leicht verfügbares Temperiermedium nutzen, erklären die Entwickler.

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