Das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Umwelt-, Sicher­heits- und Ener­gie­tech­nik (Fraun­ho­fer Umsicht) hat sei­ne Kom­pe­ten­zen im Bereich der hete­ro­ge­nen Kata­ly­se stark aus­ge­baut. Die gewach­se­ne tech­ni­sche Infra­struk­tur ermög­licht heu­te nicht nur die Prä­pa­ra­ti­on neu­ar­ti­ger Kata­ly­sa­to­ren, son­dern auch Auf­trags­tes­tun­gen im Indus­trie­maß­stab. Das Insti­tut will damit neue Maß­stä­be zur Her­stel­lung von Ener­gie­trä­gern und Basis­che­mi­ka­li­en aus rege­ne­ra­tiv erzeug­tem Syn­the­se­gas set­zen.

Vor fünf Jah­ren kam Dr. Ste­fan Kalu­za zum Fraun­ho­fer Umsicht nach Ober­hau­sen. Heu­te lei­tet er am Insti­tut die Grup­pe „Kata­ly­ti­sche Ver­fah­ren“, die zunächst mit grund­la­gen­ori­en­tier­ter For­schung star­te­te und nun ihr Know-how in Groß­pro­jek­ten wie „Carbon2Chem“ ein­bringt sowie Auf­trags­ar­bei­ten für Indus­trie­kun­den umsetzt.

Kata­ly­se spielt in über 80 Pro­zent der che­mi­schen Pro­zes­se eine wich­ti­ge Rol­le. „Bei Fraun­ho­fer Umsicht über­tra­gen wir kata­ly­ti­sche Kon­zep­te aus der Grund­la­gen­for­schung auf groß­tech­nisch rea­li­sier­ba­re Sys­te­me“, so Dr. Kalu­za. Dafür wur­den die Berei­che Kata­ly­se und Reak­ti­ons­tech­nik am Insti­tut gezielt mit­ein­an­der kom­bi­niert: Im Ergeb­nis hat sich dar­aus eine Infra­struk­tur aus­ge­reif­ter Sys­te­me und Pro­zes­se im Tech­ni­kums­maß­stab ent­wi­ckelt, die sich pro­blem­los auf Pilot­an­la­gen von Indus­trie­kun­den trans­fe­rie­ren las­sen.

Kata­ly­se-Infra­struk­tur beim Fraun­ho­fer Umsicht
Der Fokus der Arbeits­grup­pe liegt auf Kata­ly­sa­to­ren zur Her­stel­lung von Ener­gie­trä­gern und Basis­che­mi­ka­li­en aus kon­ven­tio­nel­lem sowie rege­ne­ra­tiv erzeug­tem Syn­the­se­gas. In Koope­ra­ti­on mit Part­nern aus Grund­la­gen­for­schung, Anla­gen­bau und che­mi­scher Indus­trie wer­den beim Fraun­ho­fer Umsicht Kata­ly­sa­to­ren prä­pa­riert, getes­tet und für den groß­tech­ni­schen Ein­satz wei­ter­ent­wi­ckelt.

Anwen­dung fin­det die­ser Zyklus zum Bei­spiel im der­zeit lau­fen­den Ver­bund­pro­jekt Carbon2Chem. Auf der Basis kata­ly­ti­scher Ver­fah­ren wer­den hier Tech­no­lo­gi­en für che­mi­sche Syn­the­sen ent­wi­ckelt, mit denen Hüt­ten­ga­se aus der Stahl­pro­duk­ti­on gerei­nigt, kon­di­tio­niert und in markt­fä­hi­ge Che­mie­pro­duk­te oder Treib­stof­fe umge­wan­delt wer­den kön­nen. Im Leit­pro­jekt „Strom als Roh­stoff“ arbei­tet die For­schungs­grup­pe dar­an mit, Elek­tro­ka­ta­ly­sa­to­ren und Anla­gen­tech­nik inte­griert zu ent­wi­ckeln. Im insti­tuts­ei­ge­nen Kata­ly­se­la­bor kön­nen Ana­ly­sen durch­ge­führt wer­den, deren Resul­ta­te in eine opti­mier­te Kata­ly­sa­tor- und Ver­fah­rens­ent­wick­lung ein­flie­ßen. So ermög­licht die Prä­pa­ra­ti­ons­ein­heit „Big­Batch“ mit einem Reak­tor­vo­lu­men von 20 Litern bei­spiels­wei­se die Syn­the­se von bis zu einem Kilo­gramm Kata­ly­sa­tor. Die Anla­ge ist fes­ter Bestand­teil in der Kata­ly­sa­to­r­ent­wick­lung am Insti­tut und wur­de bereits erfolg­reich in der Anfer­ti­gung von in Auf­trag gege­be­nen Pro­duk­ti­ons­men­gen ein­ge­setzt.

Über die mehr­jäh­ri­ge Pro­jekt­ar­beit hat die Grup­pe „Kata­ly­ti­sche Ver­fah­ren“ ein umfang­rei­ches Netz­werk mit Part­nern aus Wis­sen­schaft und Indus­trie auf­ge­baut. „In Zukunft wol­len wir unse­re Kom­pe­ten­zen des­halb noch stär­ker als Dienst­leis­ter anbie­ten“, so Ste­fan Kalu­za. Poten­zi­el­le Kun­den stam­men zum einen aus der che­mi­schen Indus­trie und dem Anla­gen­bau. Die beim Fraun­ho­fer Umsicht ent­stan­de­ne Infra­struk­tur aus Kata­ly­sa­tor­syn­the­se und -cha­rak­te­ri­sie­rung, Up-Sca­ling und Tes­tung ist aber auch für Unter­neh­men aus dem Ener­gie­sek­tor inter­es­sant, die Power-to-X-Tech­no­lo­gi­en ent­wi­ckeln und sich damit beschäf­ti­gen, wie man mit Ener­gie­über­schüs­sen umgeht, oder wie sich Koh­len­stoff-Strö­me umlei­ten las­sen.

Die Anla­gen des Kata­ly­se­la­bors vom Fraun­ho­fer Umsicht auf einen Blick:

  • Prä­pa­ra­ti­on Labor­maß­stab: auto­ma­ti­sier­te Ein­heit zur Syn­the­se hete­ro­ge­ner Kata­ly­sa­to­ren via Fäl­lung, Imprä­gnie­rung, Hydro­ther­mal­syn­the­se, usw. im Labor- und halb­tech­ni­schen Maß­stab
  • Prä­pa­ra­ti­on „Big­Batch“: ermög­licht die Mus­ter­men­gen­pro­duk­ti­on von Kata­ly­sa­to­ren im Bereich bis zu eini­gen kg in einem 20-Liter-Reak­tor (wahl­wei­se Glas oder Edel­stahl)
  • 8-fach Par­al­lel­re­ak­tor „Spi­der“: ermög­licht das simul­ta­ne Tes­ten von bis zu 8 ver­schie­de­nen Kata­ly­sa­to­ren unter exakt glei­chen Reak­ti­ons­be­din­gun­gen für ein schnel­les und ver­läss­li­ches Scree­ning; Ana­ly­tik: online-GC
  • Labor-Test­sys­te­me I+II: inklu­si­ve Ver­damp­fer zur Zudo­sie­rung von Flüs­sig­kom­po­nen­ten und Spu­ren­stof­fen für Per­for­mance­tests in Abhän­gig­keit der Reak­ti­ons­pa­ra­me­ter (Tem­pe­ra­tur, Druck, Gas­zu­sam­men­set­zung, Fluss­ra­te usw.); Ana­ly­tik: online-GC/MS bzw. Pro­zess-MS
  • Labor-Test­sys­tem III: Schwe­fel-iner­te Aus­le­gung mit kom­ple­xer Gas­ver­sor­gung für Unter­su­chun­gen mit Spu­ren­kom­po­nen­ten und Kata­ly­sa­tor­gif­ten; Ana­ly­tik: online-MS und FTIR
  • Tech­ni­kums­an­la­ge „Mini­plant“: ermög­licht die Tes­tung grö­ße­rer Men­gen (bis zu 100 g) geform­ter Kata­ly­sa­to­ren unter indus­trie­na­hen Bedin­gun­gen; Ana­ly­tik: online-GC

Dar­über hin­aus ste­hen die gän­gi­gen Metho­den zur Cha­rak­te­ri­sie­rung hete­ro­ge­ner Kata­ly­sa­to­ren zur Ver­fü­gung (XRD, TG, TPR, TPO, TPD; N2-Phy­s­i­sorp­ti­on, REM). Ein Labor­ex­tru­der zur Form­ge­bung anor­ga­ni­scher Pul­ver ist ab März 2018 ein­satz­be­reit.