Photokatalytische Prozesse Licht soll Chemieindustrie grüner machen

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Die Herstellung einer Vielzahl chemischer Stoffe lässt sich durch die Nutzung von Licht nachhaltiger und sauberer machen. Im EU-Projekt Prosper erforscht ein internationales Promovierenden-Netzwerk wie sich photokatalytische Prozesse für die industrielle Anwendung auf Großmaßstab skalieren lassen.

Global betrachtet ist die chemische Industrie für rund fünf Prozent der CO₂-Emmissionen verantwortlich. Besonders hohe Treibhausgasemissionen fallen an, wenn beispielsweise Grundstoffe wie Ethylen, Benzol oder Ammoniak hergestellt werden. „Die Treibhausgas-neutrale Produktion chemischer Produkte braucht viel Energie. Eine Möglichkeit zur Nutzung erneuerbarer Energien in der Produktion ist die Erzeugung von Licht zur Herstellung von Chemikalien. Doch es ist noch immer eine große Herausforderung, photokatalytische Prozesse auf Industriemaßstab zu skalieren“, erklärt Professor Dirk Ziegenbalg vom Institut für Chemieingenieurwesen der Universität Ulm.

Bei der Photokatalyse wird die Energie des Lichts für chemische Prozesse genutzt, um energieintensive Reaktionen bei „milderen“ Reaktionsbedingungen – also ohne großen Druck oder hohen Temperaturen – durchzuführen. Auf diesem Weg kann grüner Strom für die Herstellung genutzt und fossile Energien ersetzt werden. „Photochemische Reaktionen zeichnen sich dadurch aus, dass durch das Licht andere Reaktionspfade zugänglich werden. Das heißt: Moleküle, für die ansonsten mehrere Reaktionen notwendig wären, können in einer einzelnen Reaktion hergestellt werden“, erläutert der Chemieingenieur. Bei photokatalytischen Reaktionen kann zudem auf Zusatzstoffe wie Oxidationsmittel verzichtet werden, wodurch weniger Nebenprodukte und Abfall anfallen. Aus diesen Gründen sind sie häufig nachhaltiger als konventionelle, thermische Reaktionen.

Um die Forschung zur industriellen Skalierung photokatalytischer Prozesse voranzutreiben, fördert die EU nun ein länderübergreifendes interdisziplinäres Doktorandennetzwerk als sogenannte Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme mit 2,3 Millionen Euro. Zehn internationale Partner bringen dafür ihre Expertise ein: sechs renommierte Forschungseinrichtungen und Universitätsinstitute sowie vier Unternehmen aus der Chemie und Verfahrenstechnik. Bei der digitalen Auftaktveranstaltung trafen sich Forschende, Industriepartner und zukünftige Doktorandinnen und Doktoranden zum offiziellen Projektstart. „Unser Konsortium ist ein europäisches Zukunftslabor für die Etablierung und Skalierung nachhaltiger Verfahren für die Chemie-Industrie“, sagt Ziegenbalg, der das Projekt von Ulm aus koordiniert.

Die wissenschaftlichen Ziele von Prosper sind ambitioniert: Das internationale Verbundprojekt will die Photochemie aus dem Labor herausführen und in die industrielle Anwendung bringen. Dafür sollen standardisierte Messmethoden entwickelt werden, um Photonenströme und Strahlungsfelder einheitlich zu erfassen. Außerdem soll erforscht werden, wie auch Wärme und Stoffe im Photoreaktor transportiert werden müssen, denn beides ist entscheidend für dessen Leistungsfähigkeit. Gleichzeitig will man herausfinden, wie sich photokatalytische Reaktionsschritte besser steuern und gezielt kontrollieren lassen. Nicht zuletzt braucht die Industrie klare Regeln, wie Anlagen dauerhaft sicher betrieben werden können.

Das Besondere an Prosper: Die insgesamt acht Doktorandinnen und Doktoranden müssen zur wissenschaftlichen Bearbeitung dieser Fragen Grundlagenforschung und Anwendung verbinden. „Es ist großartig, dass man als Doktorandin an echten Industrieproblemen arbeiten kann“, findet Shiva Amanipour. Die jungen Forschenden sollen verstehen lernen, was es bedeutet, wenn Photoreaktoren nicht nur für Versuche im Labormaßstab genutzt werden, sondern für Anlagen zur Produktion von Chemikalien im Tonnenmaßstab konzipiert und entwickelt werden müssen. Denn damit verbunden sind enorme chemische und verfahrenstechnische Herausforderungen.

„Mit Prosper wollen wir Know-How schaffen, das es braucht, um Photoreaktoren überall zuverlässig und sicher einsetzen zu können. All das Wissen wird in ein ‚digitales Handbuch‘ einfließen, das Richtlinien, Konstruktionsprinzipien und Leistungskriterien zusammenführt, um in Zukunft die Entwicklung neuer Reaktoren im industriellen Maßstab deutlich zu beschleunigen“, so Dirk Ziegenbalg.

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