Robert Schlögl: Kreisläufe schließen – Forschungsbedarf für den Weg in Carbon2Chem
In seinem Vortrag im Rahmen der 1. Konferenz zur nachhaltigen chemischen Konversion in der Industrie am 20.11.2017 in Düsseldorf stellte Robert Schlögl, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und 
am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr unter dem Titel „Kreisläufe schließen – Forschungsbedarf für den Weg in Carbon2Chem“ die Fortschritte des Kooperationsprogramms von Wissenschaft und Industrie dar.
Erneuerbare Energiesysteme werden einen technischen Kohlenstoffkreislauf enthalten, um die Nutzung des essenziellen Elementes Kohlenstoff zu ermöglichen. Dazu verwendet man CO2 aus konzentrierten Quellen wie einem Hochofen und setzt es mit Wasserstoff zu Plattformchemikalien um – etwa Synthesgas, Methanol oder Ammoniak. Daraus entstehen dann weitere chemische Produkte – dabei gibt es eine Alternative: Entweder erreicht man große Volumina (z.B. Harnstoff, Kraftstoffe) oder hohe Werte (z.B. Alkohole, Polymere). Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen. Allerdings muss dieser Prozess der zeitlichen Verfügbarkeit von grünem Strom nachfolgen, um keine neuen CO2-Emissionen zu bewirken. Denn C2C ist als Gesamtsystem nur dann sinnvoll, wenn im Gesamtprozess nur minimales zusätzliches CO2 und keine elektrische Grundlast neu erzeugt werden. Derzeitige Elektrolyseure vermögen diese felxible Wasserstofferzeugung aus Grünstrom nur unzureichend zu leisten, zudem fehlen belastbare Daten dazu. Hier hat C2C einen wichtigen Forschungsschwerpunkt.
Wasserstoff ist begrenzende Ressource für das Projekt – denn es besteht eine geringe eigene Versorgung. Mit seiner Hilfe wird fluktuierender “Grünstrom” in chemischen Bindungen gespeichert. Dabei müssen externe Quellen ohne CO2-Emission sein, sonst ist die Auswirkung des C2C-Projekt sehr reduziert, was die CO2-Verringerung anlangt. Er muss der blauen Kurve folgen – sonst wird mehr CO2 erzeugt, als später gebunden – Grafik © Schlögl_CEC, ÜNB.
Ein wesentliches und unerwartetes Ergebnis des Projektes ist die nachgewiesene Unempfindlichkeit technischer Hochleistungskatalysatoren für die direkte Synthese von Methanol aus CO2 und Wasserstoff gegen einen Betrieb unter variabler Last. Diese dynamische Fahrweise kann auf allen technisch möglichen Wegen realisiert werden. Damit eignet sich die Methanolsynthese hervorragend zur Speicherung flukturierender (Überschuss)-Energie. Allerdings entspricht der Stromverbrauch dem, was die Deutsche Bahn verfährt.
Flexible Katalysatoren unter verschiedenen Temperaturen und Drücken – Cu/ZnO/X erwies sich als sehr anpassungsfähig. Es ist nämlich ungewöhnlich, dass ein Hochleistungskatalysator unempfindlich gegen das chemische Potenzial seiner Reaktanden ist. Hier liegt eine dynamische Bildungsweise vor. Ursache ist die Kontaktbildung der Ko-Katalysatoren Cu/ZnO/X . Dieser Effekt kontrolliert auch die Desaktivierung des Systems durch Rekristallisation des ZnO/X. Zur Feststellung der Veränderung wurden die Katalysatoren mit extrem empfindlichen Waagen gewogen. Alle Prozesse die dies beschleunigen, sind Gift für die Wirksamkeit – Foto/Grafik © Robert Schlögl, CEC.
Viele Folgeprozesse kann das Methanol zu Chemikalien oder Kraftstoffen weiter veredeln. Dabei bietet sich OME (Oxy-Methylen-Ether) mit seinen sehr günstigen Emissionen (keine Partikel, sehr wenig NOx) als besonders attraktive Option an – die sich also so vielversprechend herausgestellt hat, dass der Prozess in einem eigenen ausgekoppelten Projekt weiterentwickelt werden soll. Denn OME hat bessere Eigenschaften als Methanol, es könnte lokale Abgasprobleme lösen, und es wäre ein einfacher Schritt von Methanol zu OME.
Weiter hat das C2C-Projekt enorme Fortschritte bei der Aufdeckung von Spurenverunreinigungen in den Ausgangsgasen für die Methanolsynthese gemacht. Die analytisch einmaligen Möglichkeiten mit der Methode PTR-TOF-MS (Protonenionisations-Flugzeit-Massenspektroskopie) werden nun dazu eingesetzt, um die Lebensdauer und damit die Wirtschaftlichkeit des Prozesses aus CO2-haltigen Abgasen durch gezielte Reinigungsschritte bis in den wirtschaftlichen Bereich zu verbessern.
Dynamische Fahrweise der Methanolsynthese bei hoher Gesamtproduktivität stellt besondere Anforderungen an die Reinheit der Edukt-Gase, die ihrerseits sehr empfindlich gegen Spurenverunreinigungen wie Sauerstoff, Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen sind – allerdings nicht gegen aromatische Kohlenwasserstoffe. In C2C wird eben eine neue Qualität der Analyse von Spurengasen erprobt – Diagramm © Schlögl_CEC
Zusammenfassend
erläuterte Schlögl (die roten Linien bedeuten zeitliche Variablen): C2C werde auf industrieller Skala einen wesentlichen Teil des technischen Kohlenstoffkreislaufs demonstrieren. Herausforderungen für die Forschung bestümden systemisch wie technisch durch den Zwang zur Optimierung jedes einzelnen Schrittes im Systemverbund. Denn nur dann scheine es möglich eine erhebliche Nettoreduktion der CO2-Emission zu erzielen.
Diese und weitere Ergebnisse im Projekt dienen nicht nur für die Verwendung von Hüttengasen als Rohstoff für die chemische Energiekonversion, sondern finden durch ihren modularen Charakter auch in anderen Anwendungen beim Aufbau des Kohlenstoffkreislaufes ihre Verwendung, d.h. C2C kann auch mit anderen CO2-Quellen betrieben werden.
->Quellen:
- Präsentation: Robert Schlögl, CEC
- Text: Robert Schlögl/Gerhard Hofmann