Synthese-Plattform für Methanol und seine Folge-Chemie aus erneuerbaren Quellen

fTeilen

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.