Synthese-Plattform für Methanol und seine Folge-Chemie aus erneuerbaren Quellen
Mit CO2 als einziger Kohlenstoffquelle produziert eine Pilotanlage am LIKAT-Technikum Catalysis2Sacle in Rostock die Basischemikalie Methanol sowie Folgeprodukte in Form von zwei synthetischen Kraftstoffen. Die Demonstrationsanlage zeigt, wie grundlegende chemische Prozesse mit ausschließlich erneuerbaren Ausgangsstoffen funktionieren und sinnvoll zu Fertigungslinien kombiniert werden können. Sie ist Teil weltweiten Bemühens in der Fachwelt, das klimaschädliche Kohlendioxid (CO2) den Abgasströmen der Zivilisation zu entziehen und als Rohstoff zu verwerten. Die Entwicklung der Anlage wurde vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Ziel des Projekts namens SuME (Sustainable Mobility Enabler) war die Produktion von zwei Vertretern „einer neuen Generation von Kraftstoffen“, wie es auf der offiziellen Projekt-Website heißt: Methylformiat (MeFo) und Dimethylcarbonat (DMC). „Beide sind CO2-neutral produzierte Verbindungen, die weitestgehend schadstofffrei und mit ähnlicher Oktanzahl wie herkömmliche Stoffe verbrennen“, erläutert der Koordinator des SuME-Projekts, Dr. Sebastian Wohlrab. DMC dient überdies als Elektrolyt der E-Mobilität.
Kohlenstoff komplett aus CO2
Am Leibniz-Institut für Katalyse leitet Sebastian Wohlrab ein vierköpfiges Forschungsteam, das die Technikumsanlage gemeinsam mit Partnern in dreieinhalb Jahren entwickelte und zum Laufen brachte. Die Anlage arbeitet im kontinuierlichen Betrieb mit einer Ausbeute von maximal einem Liter pro Stunde. Gefördert wurde das Projekt mit 7,11 Millionen Euro.
„Als zentralen Baustein enthalten unsere Zielprodukte Kohlenstoff, wie so viele wichtige chemische Grundstoffe“, erläutert Sebastian Wohlrab. Der Clou: Anders als in der Chemie üblich stammt dieser Kohlenstoff nicht aus Öl, Gas oder Kohle, sondern komplett aus CO2. Quellen dafür sind etwa Abgase der Zement- oder Biogasproduktion oder Kohlendioxid aus der Luft. Auch die anderen Ausgangsstoffe für das Methanol sowie für die beiden Kraftstoffe DMC und MeFo, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, kommen aus nachhaltigen Quellen.
Alternative Wege in der Chemie
Methanol mit der Strukturformel CH3OH ist das einfachste Molekül in der Gruppe der Alkohole und zählt mit einer Jahresproduktion von 112 Millionen Tonnen (2024) zu den wichtigsten Basischemikalien der globalen Industrie. Es wird großtechnisch aus Synthesegas hergestellt, einem Gemisch von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) auf fossiler Basis.
Die Umstellung der Methanolsynthese auf regenerierbare Rohstoffe ist weltweit langfristiges Forschungsziel. Am LIKAT und in anderen Spitzenlabors gibt es dafür erste Lösungen, manches davon wird bereits im Technikumsmaßstab getestet.
Die Rostocker Anlage führt nun ein alternatives Methanolverfahren mit ebenso nachhaltigen Reaktionsrouten für Folgeprodukte in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess zusammen. Dr. Wohlrab: „Von dieser Synthese-Plattform aus lässt sich die gesamte Folgechemie von Methanol in alternativen Reaktionen erkunden.“ Neben den beiden C1-Oxygenaten MoFe und DMC hat sein Forscherteam weitere Zielprodukte im Blick, etwa Kerosin und höhere Kohlenwasserstoffe, wie längerkettige Alkane und Olefine.
Und so funktioniert die SuME-Anlage
In der Technikumshalle des LIKAT fällt die Pilotanlage sofort ins Auge: Reaktoren, Pumpen, Regler, Drucksysteme, alles haushoch und umgeben von Rohrleitungen und einem schützenden Plexiglasgehäuse. Das Fließschema, ein Werk von 160 Seiten, lässt sich grob umrissen so beschreiben:
Ein Elektrolyseur spaltet zunächst Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Der Strom dafür wird aus der PV-Anlage des LIKAT-Technikums ins Netz gespeist. Weiterverarbeitet wird der Wasserstoff auf zweierlei Weise. In einer Variante reagiert er mit CO2 zu Kohlenmonoxid (CO), das mit zusätzlichem H2 praktisch zu Synthesegas umgesetzt wird, aus dem wiederum Methanol entsteht. Ähnlich wie im großtechnischen Verfahren, nur gänzlich ohne fossilen Rohstoff. In der zweiten Variante wird H2 dem CO2 zugesetzt, das dann direkt zu Methanol reagiert, mit Wasser als Nebenprodukt.
Weiter geht es mit Methanol in zwei Produktionssträngen: entweder wird es unter Freisetzung von H2 zu MeFo umgesetzt. Oder es reagiert mit CO und Sauerstoff zu DMC.
Anspruchsvolle CO2-Chemie
Chemie aus CO2 liegt im Trend, und sie ist anspruchsvoll, denn das Klimagas ist extrem reaktionsträge. Das fordert vor allem die Katalysatorentwicklung heraus, das ureigenste Feld des LIKAT, das in der Methanolsynthese über anerkannte Expertise und Knowhow verfügt.
Es mag erstaunlich klingen, aber zur Aktivierung von CO2-Molekülen für die Methanolherstellung eignen sich, wie Dr. Wohlrab erläutert, Kupfer-Zink-Katalysatoren, wie die Industrie sie auch zur Methanolproduktion aus fossilem Synthesegas verwendet. Allerdings büßen die Katalysatoren bei Wasserkontakt, der sich in dieser alternativen Reaktion nicht vermeiden lässt, ihre Funktion ein. Vor vier Jahren gelang es am LIKAT, einen Katalysator mit höherer Stabilität zu synthetisieren, „in ähnlicher Stoffzusammensetzung doch mit stark veränderter Mikro- und Oberflächenstruktur“, wie Sebastian Wohlrab sagt.
In dieser Zeit entstand auch die Idee, eine Synthese-Plattform für Methanol im gerade eröffneten LIKAT-Technikum zu entwickeln und sich auf die Suche nach Förderung und Forschungspersonal zu machen.
Projektpartner und aktuelle Themen
Als Projektpartner beteiligt waren die TU Bergakademie Freiberg und die Fraunhofer-IKTS Dresden sowie die Unternehmen EnProCo Berlin und HydroExeed. Inzwischen hat das SuME-Projektteam viel Wissen über den Einfluss des Wassers und anderer Reaktionskomponenten auf den katalytischen Prozess erkundet und den Kupfer-Zink-Katalysator weiterentwickeln können.
Aktuell befassen sich die Chemiker mit der Frage, welche der beiden Reaktionspfade zum Methanol der ökonomisch günstigere ist: vom CO2 über CO oder der Weg direkt vom CO2.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Sebastian Wohlrab, Sebastian.Wohlrab@catalysis.de
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