Mem­bran­re­ak­to­ren lie­fern grü­ne Grundstoffe

Geschlos­se­ne Koh­len­stoff­kreis­läu­fe müs­sen in Zukunft einen wich­ti­gen Bei­trag leis­ten, Koh­len­di­oxid­emis­sio­nen zu redu­zie­ren und einen siche­ren und kos­ten­güns­ti­gen Zugang zu Koh­len­stoff­quel­len als Basis für Pro­duk­te der che­mi­schen Indus­trie zu gewähr­leis­ten. Um die Effi­zi­enz und damit Wirt­schaft­lich­keit der dafür erfor­der­li­chen Syn­the­se­pro­zes­se zu stei­gern, hat das Fraun­ho­fer IKTS in Zusam­men­ar­beit mit dem Thü­rin­ger Unter­neh­men MUW-SCREENTEC GmbH einen neu­ar­ti­gen Mem­bran­re­ak­tor entwickelt.
Der­zeit ist bei der Syn­the­se von Metha­nol aus Was­ser­stoff und Koh­len­di­oxid die not­wen­di­ge Abtren­nung des Was­sers noch ein sepa­ra­ter Schritt. Die dabei zum Ein­satz kom­men­den ther­mi­schen Ver­fah­ren sind ener­gie­auf­wän­dig und redu­zie­ren den Wir­kungs­grad. Mit einem so genann­ten Mem­bran­re­ak­tor ist es nun erst­mals gelun­gen, die che­mi­sche Reak­ti­on mit der Stoff­tren­nung in einem Appa­rat zu kop­peln. Das Kon­zept wur­de vom Fraun­ho­fer-Insti­tut für Kera­mi­sche Tech­no­lo­gien und Sys­te­me IKTS und der MUW-SCREENTEC GmbH unter För­de­rung der Thü­rin­ger Auf­bau­bank ent­wi­ckelt und in Hard­ware demons­triert. Durch die mem­bran­un­ter­stütz­te Abtren­nung des Was­sers aus dem Reak­ti­ons­raum wird die Lage des che­mi­schen Gleich­ge­wichts wäh­rend der Syn­the­se gezielt zuguns­ten des Metha­nols ver­scho­ben. Auf Basis die­ser Ergeb­nis­se las­sen Simu­la­ti­ons­rech­nun­gen eine deut­li­che Stei­ge­rung der Metha­nol­aus­beu­te auf 60 % in Mem­bran­re­ak­to­ren statt bis­her 20 % in kon­ven­tio­nel­len Reak­to­ren erwar­ten, wenn man auf indus­tri­el­le Anla­gen hoch­ska­liert. Der expe­ri­men­tel­le Nach­weis der genau­en Stei­ge­rung der Aus­beu­te wird der­zeit von den Pro­jekt­part­nern erbracht. Die für die Reak­to­ren not­wen­di­gen Mem­bra­nen wur­den eben­falls am Fraun­ho­fer IKTS ent­wi­ckelt. Sie müs­sen neben den was­ser­ab­tren­nen­den Eigen­schaf­ten auch unter den anspruchs­vol­len Pro­zess­be­din­gun­gen mecha­nisch, che­misch und ther­misch sta­bil sein. Für die Metha­nol­syn­the­se erwie­sen sich bis­lang was­ser­se­lek­ti­ve Koh­len­stoff­mem­bra­nen als beson­ders effektiv.
Die umge­kehr­te Reak­ti­on der Metha­nol­syn­the­se – das Metha­nol-Reforming – lässt sich eben­falls äußerst effi­zi­ent im neu­en Mem­bran­re­ak­tor rea­li­sie­ren. Hier­bei dient das Metha­nol als gut hand­hab­ba­rer flüs­si­ger Was­ser­stoff­spei­cher. Das ent­ste­hen­de Koh­len­di­oxid wird im Mem­bran­re­ak­tor abge­trennt und steht somit wie­der als Aus­gangs­stoff für einen geschlos­se­nen Koh­len­stoff­kreis­lauf zur Ver­fü­gung. Nutz­bar sind sol­che geschlos­se­nen Kon­zep­te bei­spiels­wei­se zur Ver­sor­gung von Schif­fen mit dem Treib­stoff Was­ser­stoff, wel­cher aus gut trans­por­ta­blem Metha­nol und Was­ser gewon­nen wird.
Mit den neu ent­wi­ckel­ten Mem­bran­re­ak­to­ren kann unter modi­fi­zier­ten Pro­zess­be­din­gun­gen und mit ande­ren Kata­ly­sa­to­ren aus Koh­len­di­oxid und Was­ser­stoff auch syn­the­ti­sches Methan her­ge­stellt wer­den, wel­ches sich im Erd­gas­netz unbe­grenzt spei­chern lässt. Dar­über hin­aus kön­nen alter­na­ti­ve Treib­stof­fe wie Dime­thyl­ether oder die wich­ti­ge Basis­chemi­ka­lie Form­alde­hyd syn­the­ti­siert und damit die “Power-to-Che­mi­cals-Stra­te­gie” umge­setzt werden.