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Chemikalien aus CO2

Plasmatechnologie im Dienste der Energiewende

| Redakteur: Alexander Stark

Mikrowellenplasma bei Atmosphärendruck: Mikrowellen entzünden im einem Resonatorsystem das eingeströmte Gas zu einem Plasma, welches in einen Reaktor eingeblasen wird.
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Mikrowellenplasma bei Atmosphärendruck: Mikrowellen entzünden im einem Resonatorsystem das eingeströmte Gas zu einem Plasma, welches in einen Reaktor eingeblasen wird. (Bild: IGVP, Universität Stuttgart)

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Universität Stuttgart wollen das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid als Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien nutzbar machen. Hierzu entwickeln sie einen kombinierten Plasma- und Membranprozess, mit dem CO2 in Sauerstoff und den Chemie-Grundstoff Kohlenmonoxid aufgespalten wird.

Stuttgart – Wissenschaftler des Fraunhofer IGB und der Universität Stuttgart wollen dem Klimawandel nun zu Leibe rücken, indem sie das klimaschädliche Gas als Rohstoff für die Herstellung von Chemikalien und chemischen Energiespeichern nutzbar machen. Im Projekt „Pick – Plasmainduzierte CO2-Konversion zur Speicherung regenerativer Energien“, das im Rahmen der „Kopernikus-Projekte für die Energiewende“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, forschen sie seit zwei Jahren an einem neuen Ansatz, der Überschussstrom aus regenerativen Quellen nutzt und Plasma- mit Membrantechnik kombiniert.

Die Idee: Kohlenstoffdioxid wird in einem Plasma, das heißt einem ionisierten Gas mit hochreaktiven Teilchen, gespalten. Dabei entstehen Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid. Kohlenstoffmonoxid ist ein chemischer Grundstoff, der in bestehenden Infrastrukturen mit herkömmlichen chemischen Verfahren zu Basischemikalien und chemischen Energiespeichern, etwa Methanol oder Methan umgesetzt werden kann. Damit Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff nicht wieder zu Kohlenstoffdioxid zurückreagieren, trennt eine neue hitze- und CO2-stabile Membran Sauerstoff ab.

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Spaltung von CO2 im Plasma

Für die Umsetzung der Kohlenstoffdioxidspaltung haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universität Stuttgart einen elektrodenlosen Reaktor entwickelt, bei der – angeregt über eine Mikrowelle – mittels starker elektrischer Felder ein Atmosphärendruckplasma erzeugt wird. „Stoßen in diesem Plasma angeregte Elektronen auf CO2-Moleküle, bewirkt dies, dass CO2 in das gewünschte Produkt Kohlenmonoxid CO und Sauerstoff zerfällt“, erläutert IGVP-Wissenschaftler Dr. Andreas Schulz, der das Projekt koordiniert.

Perowskitmembran zur Entfernung von Sauerstoff

Damit CO nicht mit dem im Plasma entstehenden Sauerstoff zu CO2 zurückreagiert, muss Sauerstoff stetig aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt werden. Hierzu hat das Fraunhofer IGB eine neue Keramikmembran entwickelt, die Sauerstoff selektiv abtrennen kann. Da die Membran zugleich temperatur- und CO2-stabil sein muss, verspinnen die Forscher spezielle keramische Materialien, sogenannte Perowskite, zusammen mit Polymeren zu einer dünnwandigen Kapillare. Die resultierende Grünfaser wird bei hohen Temperaturen zu einer dichten keramischen Kapillarmembran gesintert. Die Perowskitmembran ist stabil in einer CO2-Atmosphäre und bei Temperaturen von 800 bis 1000 °C durchlässig für Sauerstoff, nicht aber für Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Eine solche Membran wurde bisher noch nicht beschrieben.

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Erfolgreiche Kohlendioxidspaltung und Sauerstoffabtrennung

Dass die Idee des kombinierten Plasma-Membran-Prozesses funktioniert, konnten die Forscher in dem am IGVP entwickelten Plasmareaktor bereits demonstrieren. Mithilfe einer speziellen Apparatur im Plasmareaktor wird die Kapillarmembran an einer exakt definierten Stelle in der Plasmaflamme justiert. Über die Kontrolle von CO2-Gasfluss und Mikrowellenleistung wird dabei die Temperatur des Plasmas auf Höhe der Membran auf 800 – 1000 °C eingestellt, sodass diese Sauerstoff optimal durchlässt.

Die neue Kapillarmembran zeigte unter diesen Bedingungen sowohl eine sehr gute thermische Stabilität als auch eine sehr gute Sauerstoffdurchlässigkeit: Bei einem Kilowatt Mikrowellenleistung, das entspricht einer Temperatur von etwa 1000 °C, wurden 2,3 ml Sauerstoff pro Minute und Quadratzentimeter Membranfläche abgetrennt. Rund ein Drittel der Mikrowellenenergie wurden bisher in chemische Energie umgewandelt und dabei 22 % des Kohlenstoffdioxids gespalten.

Flexible Leistungsregelung und einfache Skalierbarkeit

Sowohl der Prozess als auch der Plasma-Membran-Reaktor lassen sich einfach skalieren und flexibel regeln, was von großem Vorteil für die technische Umsetzung ist. Der nächste Schritt auf dem Weg zur Demonstration der technischen Machbarkeit ist, die Trennleistung des Plasma-Membran-Reaktors zu erhöhen. Das Verfahren lässt sich überall dort einsetzen, wo CO2 in angereicherter Form entsteht: bei Verbrennungsprozessen in Kraftwerken, in der Zement- und Glasindustrie, aber auch in Brauereien, wo CO2 im Zuge der alkoholischen Gärung als Nebenprodukt anfällt.

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