Grüne Energie für eine nachhaltige Chemie
Wasserstoffperoxid, Ethen, Alkohole: Das Fraunhofer-Leitprojekt „Strom als Rohstoff“ entwickelt elektrochemische Verfahren, die regenerativ erzeugten Strom nutzen, um Basischemikalien zu synthetisieren – mit dem Ziel, die chemische Industrie nachhaltiger zu gestalten. Vom 11. bis 15.06.2018 präsentiert Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit acht weiteren Fraunhofer-Instituten auf der ACHEMA 2018 die Ergebnisse.
Die Energiewende ermöglicht es, Strom CO2-ärmer zu erzeugen und eröffnet neue Wege für eine stromgeführte Produktion. Um diesen Wandel zu gestalten, haben neun Fraunhofer-Institute unter Federführung von Fraunhofer UMSICHT ihre Kompetenzen gebündelt. Im Rahmen des Leitprojekts „Strom als Rohstoff“ entwickeln sie neue elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Basischemikalien.
Modell der Hochdruckelektrolyse – Foto © Fraunhofer UMSICHT
Seit dem Projektstart 2015 wurden neue Prozesse entwickelt, technisch demonstriert und ihre Kopplung mit dem deutschen Energiesystem analysiert – immer mit dem Ziel, Ressourcen, Energie und Kapital bestmöglich einzusparen. Auf der ACHEMA 2018, der internationalen Leitmesse für Prozessindustrie, präsentieren die Partner Know-how, Technologien und Demonstratoren aus dem Leitprojekt.
Wasserstoffperoxid on Demand: Mit Strom zu H2O2
Die umweltfreundliche Chemikalie Wasserstoffperoxid (H2O2) kommt u. a. als Bleichmittel und zur Entschwefelung zum Einsatz. Die Produktion ist kostenintensiv und benötigt große Mengen an Lösungsmitteln und Energie. Für viele Anwender wäre es ein großer Vorteil, auf die umfangreiche Logistik und Lagerung verzichten und H2O2 nach Bedarf (on demand) dezentral herstellen zu können. Im Leitprojekt haben Fraunhofer-Forscher deshalb einen Demonstrator für die kontinuierliche, elektrochemische Herstellung von H2O2 im wässrigen Reaktionssystem einschließlich Kopplung an chemische Folgeprozesse entwickelt. Der Prozess kann kleinskalig, dezentral und im Idealfall mit 100 Prozent erneuerbarem Strom betrieben werden – das Prozessschema wird auf dem Messestand gezeigt.
Die CO2-Raffinierie
Kohlenstoffdioxid ist eine sinnvolle Kohlenstoffquelle für Chemikalien und Treibstoffe, wenn erneuerbare Energie zur Aktivierung genutzt wird. Auf diese Weise werden Strom, CO2 und Wasser zu Rohstoffen einer neuartigen CO2-Raffinerie. Im Leitprojekt werden mehrere Verfahren zur elektrochemischen Konversion von CO2 zu Basischemikalien entwickelt.
Mit Strom zu Ethen oder Alkohol
So konnte die Herstellung von Ethen, der mit Abstand wichtigsten Basischemikalie der petrochemischen Industrie, aus CO2 und Wasser in nur einem Schritt demonstriert werden. Der 3 m breite und 2 m hohe Demonstrator steht auf dem Messestand zur Besichtigung bereit. Außerdem wird ein Prozess zur elektrochemischen Herstellung kurzkettiger Alkohole (C1–C4) – hierzu zählt beispielsweise Methanol – erforscht, der über ein neues einstufiges Hochdruckelektrolyseverfahren CO2 und Wasser umsetzt. Das Prinzip der Hochdruckelektrolyse veranschaulicht Fraunhofer UMSICHT auf der ACHEMA anhand einer nachgebauten Hochdruckzelle mit integrierten Elektroden.
Langkettige Alkohole (C4–C20) werden u. a. in der Kunststoff-, Kosmetik- und Waschmittelproduktion eingesetzt. Um die hochpreisigen Grundstoffe zu gewinnen, haben Fraunhofer-Forscher einen gekoppelten Prozess aus Hochtemperaturelektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese entwickelt, der langkettige Alkohole aus CO2 und Wasser herstellt. Die Synthese wird erstmalig über einen zweistufigen Prozess realisiert. Eine Hochtemperaturstabile Festoxidzelle für Power-to-Gas-Prozesse und ein Plexiglasreaktor demonstrieren auf der ACHEMA das Prinzip hinter den chemischen Prozessen.
Vom Molekül zum Prozess
Membranen, Elektroden und eine ausgefeilte Analytik sind wichtige Werkzeuge elektrochemischer Zellen und Prozesse. Eines dieser neu entwickelten Werkzeuge wird auf der ACHEMA präsentiert: Eine neuartige Membran für geteilte elektrochemische Zellen, die sich neben der sehr guten Protonenleitfähigkeit durch einen geringeren Preis und eine verbesserte Recyclingfähigkeit auszeichnet.
Des Weiteren sind zur Unterstützung der einzelnen Prozesse Modellierungswerkzeuge und ein Entscheidungsunterstützungssystem konzipiert worden. Wie das interaktive Tool für multidimensionale Datensätze Ergebnisse visualisiert und elektrochemische Prozesse in Abhängigkeit des Energiemarktes steuert, zeigen die Forscher auf dem Messestand.
Projektkonsortium „Strom als Rohstoff“
- Fraunhofer UMSICHT (Koordination) | Hochdruckelektrolyse: Herstellungkurzkettiger Alkohole | Systemanalyse und Nachhaltigkeitsbewertung
- Fraunhofer IKTS | SOEC-Co-Elektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese: Herstellung langkettiger Alkohole aus CO2 und Wasser
- Fraunhofer IAP | Neuartige Elektrolysemembran
- Fraunhofer ICT | Elektrochemische Herstellung von H2O2 im wässrigen Reaktionssystem
- Fraunhofer IGB | Demonstrator zur Herstellung von Ethen aus CO2
- Fraunhofer ITWM | Modellierung, Simulation, Optimierung
- Fraunhofer ISC | Charakterisierung von elektrochemischen Komponenten
- Fraunhofer IST | Anodische Herstellung von H2O2 mit Diamantelektroden
- Fraunhofer WKI | Elektrochemische Anwendungen in der Holz- und Papierwirtschaft
ACHEMA – Die internationale Leitmesse der Prozessindustrie findet vom 11. bis 15.06.2018 in Frankfurt am Main statt. Fraunhofer UMSICHT ist in Halle 9.2, Stand-Nr. D66 (Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft) auf der Messe zu finden. Ein besonderer Tag ist der 14.06.2018, an dem ab 15 Uhr eine eigene Vortragssession zum Leitprojekt stattfindet.
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