Katalysatoren verwandeln Klimagase
Optimierte Prozesse, um aus Kohlendioxid wertvolle Substanzen zu gewinnen.
Das Erreichen der Ziele der Pariser Klimarahmenkonvention erfordert rasches Handeln. Für die Industrie hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB verschiedene neue technologische Lösungen entwickelt, das bei Verbrennungsprozessen entstehende Treibhausgas Kohlenstoffdioxid zu nutzen: als Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien, Kraftstoffen oder chemischen Energiespeichern. „Dies senkt den Netto-CO2-Ausstoß und schont zusätzlich fossile Ressourcen“, sagt Gerd Unkelbach, verantwortlich für das Geschäftsfeld Nachhaltige Chemie am Fraunhofer IGB.
Zentrale Akteure der chemischen oder elektrochemischen Umwandlungsprozesse von CO2 sind Katalysatoren. „Wir entwickeln abere auch neue Verfahren und konstruieren entsprechende Apparate, um CO2 elektrochemisch – mit Strom aus erneuerbaren Energien – oder chemisch umzuwandeln, oder kombinieren diese mit biotechnologischen Verfahren“, so Unkelbach. 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.
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, haben wir das Verfahren für den kontinuierlichen Betrieb optimiert“, erläutert Lénárd Csepei, der die Arbeiten am Institutsteil BioCat in Straubing vorangetrieben und das Verfahren zum Patent angemeldet hat. Eine weitere zum Patent angemeldete Methode zur Katalysatorsynthese basiert auf der Auflösung von Metallverbindungen in stark eutektischen Lösungsmitteln. Mit diesem Verfahren können 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.
Bei allen Syntheseprozessen entscheidet vor allem die Leistungsfähigkeit des Katalysators, ob das gewünschte Produkt wirtschaftlich herstellbar ist. „Einer der wichtigsten Faktoren ist die möglichst hohe Ausbeute an gewünschtem Produkt. Nebenprodukte sollen möglichst nicht entstehen“, erklärt 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 unserem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren können wir Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen – etwa unterschiedlichen Synthesegasgemischen, Drücken und Temperaturen – im Hochdurchsatz testen“, so Csepei. 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 untersuchen wir sich anschließende Reaktionskaskaden, also eine weitere katalytische Umsetzung, etwa mit biotechnologischen Methoden“, sagt Csepei.
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 wir auf 130 Quadratzentimeter Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren Ethen aus CO2 und Wasser in einem einzigen Schritt“, führt Carsten Pietzka aus, der in Stuttgart forscht. „Vergleichbare Ergebnisse für diesen Elektrosyntheseprozess wurden bislang nur im Labormaßstab erzielt, mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern und nur in kleinem Maßstab herstellbaren Katalysatoren“, so der Wissenschaftler. Der konstruktive Aufbau des Demonstrators ist auf andere Elektrosyntheseprozesse übertragbar und ermöglicht Screenings von Katalysator- und Elektrodenmaterialien im nächstgrößeren Maßstab.
„Ab 2020 können wir mit der neuen Fraunhofer-Elektrolyseplattform in Leuna elektrochemische Synthesen auch in den industrienahen Maßstab skalieren“, ergänzt Ulrike Junghans, die am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, dem Institutsteil Leuna des IGB, forscht. In dem von ihr geleiteten Projekt „SynLink“ soll auf dieser Plattform demonstriert werden, dass sich mit erneuerbarer Energie aus Wasser und CO2 – mittels Adsorption aus der Luft – Synthesegas herstellen lässt, das weiter chemokatalytisch zu Methanol und Kraftstoffen umgesetzt wird.
Fh.-IGB / JOL
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