{"id":79908,"date":"2020-10-16T06:54:16","date_gmt":"2020-10-16T04:54:16","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=https%3A%2F%2Fwww.chemie.de%2Fnews%2F1168148%2Fkaskade-von-methanol-zu-wasserstoff.html%3FWT.mc_id%3Dca0065"},"modified":"2021-09-09T21:15:16","modified_gmt":"2021-09-09T19:15:16","slug":"kaskade-von-methanol-zu-wasserstoff-metha-cycle-entkoppelt-windkraft-vom-strombedarf","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kaskade-von-methanol-zu-wasserstoff-metha-cycle-entkoppelt-windkraft-vom-strombedarf\/","title":{"rendered":"Kaskade von Methanol zu Wasserstoff \u2013 Metha-Cycle entkoppelt Windkraft vom Strombedarf"},"content":{"rendered":"

Forschende am Leibniz-Institut f\u00fcr Katalyse (LIKAT) in Rostock k\u00f6nnen bei milden Bedingungen von unter hundert Grad Celsius und Umgebungsdruck aus Methanol Wasserstoff erzeugen, und zwar in der f\u00fcr Brennstoffzellen notwendigen Ausbeute und Reinheit. Daf\u00fcr optimierten sie ein eigenes Verfahren, das sie seinerzeit in NATURE ver\u00f6ffentlicht hatten. Die katalytische Reaktion ist Herzst\u00fcck des Projektes Metha-Cycle, eines vom Bundeswirtschaftsministerium gef\u00f6rderten Konzeptes zur Speicherung und Nutzung regenerativer Energien. Erstmals wurden dabei Windkraft, Elektrolyse und CO2<\/sub>-basierte Methanolsynthese sowie die R\u00fcckverwandlung des Methanols in H2<\/sub> direkt miteinander verbunden.<\/strong><\/p>\n

\u201eEine solche direkte Kopplung hat es bisher noch nicht gegeben\u201c, sagt Projekt-Koordinator Dr. Henrik Junge, Themenleiter am LIKAT. Das Konzept kann die Energiewende auf dem Lande wesentlich beschleunigen: Es erlaubt Unternehmen und Kommunen sich vom Windkraftaufkommen unabh\u00e4ngig mit \u201egr\u00fcnem\u201c Strom zu versorgen. Denn Elektroenergie aus Windkraft f\u00e4llt bekannterma\u00dfen nicht immer dann an, wenn sie am n\u00f6tigsten gebraucht wird.<\/p>\n

Speicher f\u00fcr Wasserstoff<\/h3>\n

So funktioniert Metha-Cycle: Windkraftr\u00e4der (wahlweise Photovoltaik-Anlagen) produzieren Elektroenergie. Mit diesem Strom wird aus Wasser elektrolytisch Wasserstoff erzeugt, der wiederum mit CO2<\/sub> in Methanol umwandelt wird. Methanol, einfachster Vertreter in der Gruppe der Alkohole, fungiert somit als Speicher f\u00fcr Wasserstoff, wie es Chemiker seit langem vorschlagen. Dr. Junge: \u201eMethanol l\u00e4sst sich im Unterschied zu Wasserstoff gut handhaben und auch \u00fcber weite Strecken transportieren.\u201c Bei Bedarf wird Methanol in H2<\/sub> r\u00fcckverwandelt und direkt im Anschluss in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt.<\/p>\n

Im Forschungsverbund Metha-Cycle unter Leitung des LIKAT nutzten die Partner au\u00dferdem die Abw\u00e4rme der Brennstoffzelle, um der Wasserstoff-R\u00fcckgewinnung einen Teil der n\u00f6tigen Reaktionsw\u00e4rme zuzuf\u00fchren. Die Testanlage der Friedrich-Alexander-Universit\u00e4t (FAU) Erlangen-N\u00fcrnberg hat im Fr\u00fchjahr mit knapp 500 Stunden Laufzeit die Funktionst\u00fcchtigkeit des Konzepts demonstriert. Die Brennstoffzelle, entwickelt vom Zentrum f\u00fcr Brennstoffzellentechnik (ZBT) Duisburg, produzierte kontinuierlich Strom mit einer Leistung bis zu 39 Watt.<\/p>\n

F\u00f6rdersumme: 1,8 Mio Euro<\/h3>\n

\u00dcblicherweise braucht es hohen Druck und Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, um aus dem Methanol wieder den Wasserstoff zu gewinnen. Das machte eine allgemeine Anwendung im Rahmen von Energiekonzepten bisher wenig attraktiv. 2013 beschrieben LIKAT-Chemiker:innen dann im Magazin NATURE, wie sie mithilfe eines Ruthenium-Katalysators bei milden Bedingungen unter hundert Grad Celsius aus einer w\u00e4ssrigen Methanoll\u00f6sung H2<\/sub> und CO2<\/sub> erzeugten. Diese Reaktion galt es nun zu optimieren. Denn um eine Brennstoffzelle dauerhaft befeuern zu k\u00f6nnen, muss der chemische Prozess ausreichend H2<\/sub> pro Zeiteinheit zur Verf\u00fcgung stellen, und dies auch in gewisser Reinheit.<\/p>\n

Zu diesem Zweck nahm sich die Forschungsgruppe um Dr. Junge und LIKAT-Direktor Prof. Dr. Matthias Beller vor, die molekularen Abl\u00e4ufe der Reaktion zu analysieren. Mit Partnern f\u00fcr ein Verbundprojekt war Henrik Junge schon im Gespr\u00e4ch, und zwar mit dem Ziel, \u201edas Aufkommen regenerativer Energie von ihrem Verbrauch zu entkoppeln\u201c, wie er sagt. Inzwischen begann alle Welt \u00fcber die Rolle von Wasserstoff und Methanol f\u00fcr eine Energiewende zur Rettung des Klimas nachzudenken. Im Herbst 2016 \u00fcbernahm das BMWi die F\u00f6rderung des Projektes Metha-Cycle f\u00fcr dreieinhalb Jahre mit einem Gesamtumfang von insgesamt 1,8 Millionen Euro.<\/p>\n

\u201eMechanistische\u201c Analysen<\/h3>\n

F\u00fcr ihren Teil analysierten die LIKAT-Forschenden, wie der Ruthenium-Katalysator in der Methanoll\u00f6sung arbeitet, um zu H2<\/sub> und CO2<\/sub> zu kommen, also den Wasserstoff wieder freizusetzen. Bei diesen \u201emechanistischen Untersuchungen\u201c, wie sie die Arbeiten nennen, entdeckten sie drei kaskadenartig verbundene Schritte. Am Ende der ersten beiden Schritte entsteht jeweils schon ein Teil des Wasserstoffs und zus\u00e4tzlich ein Zwischenprodukt, ein sogenanntes Intermediat. Im ersten Schritt ist es Formaldehyd, das im Beisein des Katalysators dann im zweiten Schritt weiterverarbeitet wird.
\nIm zweiten Schritt der Kaskade entsteht dann Ameisens\u00e4ure, und mit der kennt sich das LIKAT bestens aus. Denn vor 20 Jahren war es den Rostockern gelungen, aus Ameisens\u00e4ure bei Raumtemperatur H2<\/sub> zu gewinnen.<\/p>\n

Doch ausgerechnet der dritte Schritt, der von der Ameisens\u00e4ure zu Wasserstoff, erwies sich als der langsamste, wie Henrik Junge sagt. \u201eEr bremste das gesamte System.\u201c So h\u00e4tte die Brennstoffzelle nicht schnell genug Nachschub an H2<\/sub> bekommen. Um die Kaskade auf Trab zu bringen, entschieden die Forscher sich letztlich f\u00fcr ein bi-katalytisches System: sie gaben ihrem Ruthenium-Katalysator als Helfer einen zweiten Katalysator an die Seite. \u00dcberraschenderweise brauchten sie dazu ihren ersten Katalysator nur etwas zu modifizieren.<\/p>\n

Letzter Schliff in Erlangen<\/h3>\n

Ebenso \u00fcberrascht wurden die Chemiker:innen vom synergetischen Effekt ihres Systems. Dr. Junge: \u201eIm Zusammenschluss erm\u00f6glichten die beiden Katalysatoren eine bessere Ausbeute, als die Summe ihrer Einzelleistung erbracht h\u00e4tte.\u201c<\/p>\n

In Erlangen machten die beteiligten Verfahrenstechniker:innen an der FAU den Bi-Katalysator f\u00fcr einen kontinuierlichen Prozess in der Testanlage fit, mit der das Forschungskonsortium von Metha-Cycle die Funktionst\u00fcchtigkeit des Konzepts letztlich unter Beweis stellte. Dazu impr\u00e4gnierten sie einen festen hochpor\u00f6sen Tr\u00e4ger mit dem katalytisch aktiven Komplex aus Rostock. \u00dcber diesem Tr\u00e4ger flie\u00dfen kontinuierlich Methanol- und Wasserdampf. Ebenso kontinuierlich wird der entstandene Wasserstoff abgeleitet, um in der angeschlossenen Brennstoffzelle sofort verstromt zu werden.<\/p>\n

Literatur: C. H. Schwarz, A. Agapova , H. Junge, M. Haumann,Catalysis Today2020,342, 178-186; Immobilization of a selective Ru-pincer complex for low temperature methanol reforming \u2013material and process improvements.
\nDOI: 10.1016\/j.cattod.2018.12.005<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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