{"id":65820,"date":"2019-08-22T07:26:18","date_gmt":"2019-08-22T05:26:18","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=65820"},"modified":"2021-09-09T21:27:27","modified_gmt":"2021-09-09T19:27:27","slug":"katalysatoren-fuers-klima","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/katalysatoren-fuers-klima\/","title":{"rendered":"Katalysatoren f\u00fcrs Klima"},"content":{"rendered":"

Wie kann Deutschland seine Klimaziele noch erreichen? Das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB macht das Treibhausgas CO2<\/sub> als Kohlenstoffquelle f\u00fcr die Chemie nutzbar: Mit einer patentierten Katalysatorsynthese, dem Screening nach dem optimalen Katalysator im Hochdurchsatz und kombinierten (elektro-)chemisch-biotechnologischen Prozessen stehen der CO2<\/sub> verursachenden Industrie verschiedene Konzepte zur Verf\u00fcgung. In einem elektrochemischen Demonstrator mit 130 Quadratzentimeter Elektrodenfl\u00e4che wurde die Plattformchemikalie Ethen bereits erfolgreich aus CO2<\/sub> hergestellt.<\/strong><\/p>\n

Um, wie in der Pariser Klimarahmenkonvention vereinbart, den Anstieg der Erderw\u00e4rmung auf deutlich unter 2 \u00b0C zu begrenzen, muss schnell gehandelt werden. F\u00fcr die Industrie hat das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB verschiedene neue technologische L\u00f6sungen entwickelt, das bei Verbrennungsprozessen entstehende Treibhausgas Kohlenstoffdioxid, kurz CO2<\/sub>, zu nutzen: als Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien, Kraftstoffen oder chemischen Energiespeichern. \u00bbDies senkt den Netto-CO2<\/sub>-Aussto\u00df und schont zus\u00e4tzlich fossile Ressourcen\u00ab, erl\u00e4utert Gerd Unkelbach, verantwortlich f\u00fcr das Gesch\u00e4ftsfeld Nachhaltige Chemie am Fraunhofer IGB.<\/p>\n

Zentrale Akteure der chemischen oder elektrochemischen Umwandlungsprozesse von CO2<\/sub> sind Katalysatoren. Sie beschleunigen die Reaktionen, werden selbst aber nicht verbraucht. Im Auto zum Beispiel wandelt der \u00bbKatalysator\u00ab, zumeist Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder Palladium, \u00fcber viele Jahre hinweg giftige Stoffe im Abgas um.<\/p>\n

Das Fraunhofer IGB optimiert dabei nicht nur die Katalysatoren. \u00bbWir entwickeln auch neue Verfahren und konstruieren entsprechende Apparate, um CO2<\/sub> elektrochemisch \u2013 mit Strom aus erneuerbaren Energien \u2013 oder chemisch umzuwandeln, oder kombinieren diese mit biotechnologischen Verfahren\u00ab, so Unkelbach.<\/p>\n

\"Katalysator-vorstufe-pulver-DSC05580\"<\/a>
Vorstufe eines am Straubinger Institutsteil syn-thetisierten kupferbasierten Katalysators. (\u00a9 Fraunhofer IGB)<\/figcaption><\/figure>\n

Optimierte Katalysatorsynthese zur Herstellung von regenerativem Methanol<\/h3>\n

Das Metall Kupfer spielt bei der Synthese von regenerativem Methanol aus CO2<\/sub> und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff als Katalysator eine Hauptrolle. Methanol ist ein vielseitiger chemischer Grundstoff, der auch f\u00fcr den Energiesektor immer wichtiger wird, sei es als Kraftstoffadditiv f\u00fcr Verbrennungsmotoren wie auch als Energietr\u00e4ger in Brennstoffzellen. Laut einer Studie der DECHEMA lie\u00dfen sich pro Tonne Methanol immerhin bis zu 1,5 Tonnen CO2<\/sub>-Emissionen vermeiden, wenn Methanol nicht aus fossilen Rohstoffen, sondern aus CO2<\/sub> oder anderen regenerativen Rohstoffen synthetisiert w\u00fcrde (A. M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Technology Study \u2013 Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry, DECHEMA, 2017).<\/p>\n

Die Katalysatoren f\u00fcr die Methanolsynthese werden aus kupferhaltigen L\u00f6sungen hergestellt, bisher mittels aufw\u00e4ndiger F\u00e4llprozesse \u00fcber mehrere Zwischenstufen. \u00bbUm bei der Katalysatorsynthese im industriellen Ma\u00dfstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, haben wir das Verfahren f\u00fcr den kontinuierlichen Betrieb optimiert\u00ab, erl\u00e4utert Dr. L\u00e9n\u00e1rd Csepei, der die Arbeiten am Institutsteil BioCat in Straubing vorangetrieben und das Verfahren zum Patent angemeldet hat.<\/p>\n

Eine weitere zum Patent angemeldete Methode zur Katalysatorsynthese basiert auf der Aufl\u00f6sung von Metallverbindungen in sogenannten stark eutektischen L\u00f6sungsmitteln. Mit diesem Verfahren k\u00f6nnen Katalysatoren unterschiedlichster Elementzusammensetzung hergestellt und damit hinsichtlich ihrer Effizienz optimiert werden \u2013 nicht nur f\u00fcr die Herstellung von Methanol, sondern auch f\u00fcr andere chemische und elektrochemische Syntheseprozesse.<\/p>\n

In diesem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren k\u00f6nnen die Forscher Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen im Hochdurchsatz testen.<\/p>\n

\"fraunhofer-BioCat-Screeningstation-06\"<\/a>
In diesem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren k\u00f6nnen die Forscher Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen im Hochdurchsatz testen. (\u00a9 Fraunhofer IGB)<\/figcaption><\/figure>\n

Suche nach dem besten Katalysator im Hochdurchsatz<\/h3>\n

Bei allen Syntheseprozessen entscheidet vor allem die Leistungsf\u00e4higkeit des Katalysators, ob das gew\u00fcnschte Produkt wirtschaftlich herstellbar ist. \u00bbEiner der wichtigsten Faktoren ist die m\u00f6glichst hohe Ausbeute an gew\u00fcnschtem Produkt. Nebenprodukte sollen m\u00f6glichst nicht entstehen\u00ab, erkl\u00e4rt Csepei. Um zu \u00fcberpr\u00fcfen, welcher Katalysator am besten f\u00fcr die Umsetzung geeignet ist, screenen die Fraunhofer-Forscher die in Frage kommenden Kandidaten in verschiedenen Reaktorsystemen.<\/p>\n

\u00bbIn unserem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren k\u00f6nnen wir Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen \u2013 etwa unterschiedlichen Synthesegasgemischen, Dr\u00fccken und Temperaturen \u2013 im Hochdurchsatz testen\u00ab, so Csepei. Dabei werden die Reaktionen in Echtzeit analytisch verfolgt, sodass die entstehenden Produkte direkt quantitativ erfasst werden. Ein Reaktorsystem f\u00fcr die Testung von Katalysatoren bei Atmosph\u00e4rendruck haben die Forscher selbst entworfen und gebaut. \u00bbMit diesem Aufbau untersuchen wir sich anschlie\u00dfende Reaktionskaskaden, also eine weitere katalytische Umsetzung, etwa mit biotechnologischen Methoden\u00ab, sagt Csepei.<\/p>\n

\"demonstrator\"<\/a>
Demonstrator zur elektrochemischen Herstellung von Ethen aus CO2 und Wasser in nur einem Schritt. (\u00a9 Fraunhofer IGB)<\/figcaption><\/figure>\n

Vom Katalysator zum Demonstrator<\/h3>\n

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 \u00bbStrom als Rohstoff\u00ab einen vollautomatisierten Prototyp gebaut. Kernst\u00fcck ist eine eigens entwickelte elektrochemische Zelle: Diese \u00fcbertr\u00e4gt die Elektronen f\u00fcr die Reaktion von CO2<\/sub> auf einen w\u00e4ssrigen Elektrolyten und bringt diesen an einer por\u00f6sen Gasdiffusionselektrode mit Katalysator und gasf\u00f6rmigem Kohlenstoffdioxid gezielt in Kontakt.<\/p>\n

\u00bbMit dieser Anlage produzieren wir auf 130 cm2<\/sup> Elektrodenfl\u00e4che und mit eigenen Katalysatoren Ethen aus CO2<\/sub> und Wasser in einem einzigen Schritt\u00ab, f\u00fchrt Dr. Carsten Pietzka aus, der in Stuttgart forscht. \u00bbVergleichbare Ergebnisse f\u00fcr diesen Elektrosyntheseprozess wurden bislang nur im Laborma\u00dfstab erzielt, mit Elektrodenfl\u00e4chen von wenigen Quadratzentimetern und nur in kleinem Ma\u00dfstab herstellbaren Katalysatoren\u00ab, so der Wissenschaftler. Der konstruktive Aufbau des Demonstrators ist auf andere Elektrosyntheseprozesse \u00fcbertragbar und erm\u00f6glicht Screenings von Katalysator- und Elektrodenmaterialien im n\u00e4chstgr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab.<\/p>\n

\"elektrochemische-zelle\"<\/a>
Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion. (\u00a9 Fraunhofer IGB)<\/figcaption><\/figure>\n

\u00bbAb 2020 k\u00f6nnen wir mit der neuen Fraunhofer-Elektrolyseplattform in Leuna elektrochemische Synthesen auch in den industrienahen Ma\u00dfstab skalieren\u00ab, erg\u00e4nzt Ulrike Junghans, die am Fraunhofer-Zentrum f\u00fcr Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, dem Institutsteil Leuna des IGB, forscht. In dem von ihr geleiteten und vom Bundesministerium f\u00fcr Wirtschaft und Energie gef\u00f6rderten Projekt \u00bbSynLink\u00ab soll auf dieser Plattform demonstriert werden, dass sich mit erneuerbarer Energie aus H2<\/sub>O und CO2<\/sub> \u2013 mittels Adsorption aus der Luft \u2013 Synthesegas herstellen l\u00e4sst, das weiter chemokatalytisch zu Methanol und Kraftstoffen umgesetzt wird.<\/p>\n

Hochwertige Chemikalien durch Kombination von Chemie und Biotechnologie
\nChemisch oder elektrochemisch aus CO2<\/sub> hergestellte Chemikalien sind nur dann konkurrenzf\u00e4hig zu petrochemischen Erzeugnissen, wenn entsprechend gro\u00dfe Mengen hergestellt werden und ausreichend kosteng\u00fcnstiger Strom zur Verf\u00fcgung steht. F\u00fcr typische kleine, dezentrale CO2<\/sub> emittierende Anlagen \u2013 etwa Biogasanlagen oder Brauereien \u2013 trifft dies zumeist nicht zu.<\/p>\n

Damit die Wertsch\u00f6pfung f\u00fcr regeneratives Methanol auch im kleineren Ma\u00dfstab ein profitables Gesch\u00e4ft wird, haben die Fraunhofer-Forscher einen neuen Ansatz verfolgt und die chemische Synthese in einem k\u00fcrzlich patentierten Verfahren mit einer anschlie\u00dfenden biotechnologischen Fermentation zu h\u00f6herwertigen Chemikalien kombiniert. \u00bb\u00dcber eine neue Reaktionsf\u00fchrung wird Methanol dabei zum Zwischenprodukt und \u2013 ohne weiteren Aufarbeitungsschritt \u2013 in bestimmten Zeitabst\u00e4nden direkt in einen Fermenter gepumpt\u00ab erl\u00e4utert Csepei. Die Mikroorganismen wachsen mit Methanol als einziger Kohlenstoffquelle und produzieren Milchs\u00e4ure, Isopren, Polyhydroxybutters\u00e4ure und langkettige Terpene. Wertvolle Produkte, die sich mit herk\u00f6mmlichen chemisch-katalytischen Verfahren nur \u00fcber aufwendige, mehrstufige Synthesen gewinnen lassen.<\/p>\n

Es ist das erkl\u00e4rte Ziel der Wissenschaftler, diese vielversprechenden katalytischen Systeme und Verfahren zur Nutzung von CO2<\/sub> gemeinsam mit Partnern aus der Industrie bis zur Einsatzreife weiterzuentwickeln, um auf diese Weise ihren Beitrag gegen den Klimawandel zu leisten.<\/p>\n

 <\/p>\n

Kontakte<\/h3>\n

Dr. L\u00e9n\u00e1rd-Istv\u00e1n\u00a0Csepei
\nKatalysatoren
\nTel.: +49 9421 187-364
\nFax: +49 9421 187-360<\/p>\n

Dr.-Ing. Carsten\u00a0Pietzka
\nElektrochemischer Demonstrator
\nTel.: +49 711 970 4115
\nFax: +49 711 970-4200<\/p>\n

M.Sc. Ulrike\u00a0Junghans
\nSynLink und Elektrolyseplattform
\nTel.: +49 3461 43-9128
\nFax: +49 3461 43-9199<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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