Grü­ne Ener­gie für nach­hal­ti­ge Chemie

Die Ener­gie­wen­de und der mit ihr anfal­len­de CO2-arme Strom bie­ten die Chan­ce, eine strom­ge­führ­te Pro­duk­ti­on auf­zu­bau­en. Zehn Fraun­ho­fer-Insti­tu­te ent­wi­ckeln und opti­mie­ren Ver­fah­ren, die die­sen Strom nut­zen, um wich­ti­ge Basis­chemi­ka­li­en her­zu­stel­len. Auf der HANNOVER MESSE 2017 prä­sen­tiert Fraun­ho­fer UMSICHT das Fraun­ho­fer-Leit­pro­jekt “Strom als Rohstoff”.

Der Edel­stahl­zy­lin­der steckt in einem mas­si­ven Metall­ge­stell, diver­se Schläu­che füh­ren in ihn hin­ein. Mit einem Durch­mes­ser von 20 cm wirkt er ziem­lich wuch­tig. Sein Innen­vo­lu­men jedoch ist über­ra­schend klein – nicht grö­ßer als eine Geträn­ke­do­se. Das hat einen Grund: Der Zylin­der besitzt über­aus dicke Stahl­wän­de, die einem Druck von 150 bar trot­zen kön­nen, 150-fachem Atmosphärendruck.

Der Pro­to­typ steht bei Fraun­ho­fer UMSICHT in Ober­hau­sen. Er soll aus CO2 und Was­ser Alko­ho­le wie Etha­nol her­stel­len – wich­ti­ge Basis­chemi­ka­li­en für die Indus­trie. Ange­trie­ben wird der Pro­zess aller­dings nicht durch fos­sil erzeug­te Pro­zess­wär­me, son­dern durch grü­nen, rege­ne­ra­tiv gewon­ne­nen Strom.

Che­mi­ka­li­en kli­ma­scho­nend produzieren

Das Hoch­druck­ver­fah­ren ist Teil des Fraun­ho­fer-Leit­pro­jekts »Strom als Roh­stoff«. »Spricht man über die Ener­gie­wen­de, denkt man zunächst an die Elek­tro­mo­bi­li­tät«, sagt Pro­jekt­ko­or­di­na­tor Dr. Hart­mut Pflaum. Doch eben­so wich­tig sei es, den CO2-Aus­stoß der Indus­trie zu ver­rin­gern. Um etwa Che­mi­ka­li­en her­zu­stel­len, braucht es oft hohe Tem­pe­ra­tu­ren. Ent­spre­chend ener­gie­in­ten­siv gerät die Pro­duk­ti­on, ein­her­ge­hend mit hohen CO2-Emis­sio­nen. In ihrem Leit­pro­jekt arbei­ten die Fraun­ho­fer-For­scher an Ver­fah­ren, mit denen sich Che­mi­ka­li­en künf­tig kli­ma­scho­nend pro­du­zie­ren las­sen – und zwar mit grü­nem Strom.

Bereits heu­te wer­den rund 30 Pro­zent unse­res Stroms rege­ne­ra­tiv erzeugt. Aller­dings schwankt die Pro­duk­ti­on: Bei Son­nen­schein und kräf­ti­gem Wind lie­fern Wind­rä­der und Solar­zel­len zum Teil mehr Strom, als akut im Netz benö­tigt wird. »Strom­ba­sier­te Her­stel­lungs­ver­fah­ren kön­nen dazu bei­tra­gen, Ange­bots- und damit Preis­fluk­tua­tio­nen im Strom­netz intel­li­gent zu nut­zen und fos­sil betrie­be­ne Ver­fah­ren lang­fris­tig teil­wei­se zu erset­zen«, erläu­tert Dr. Pflaum.

Zwei Pro­zes­se

Mög­lich macht das die Elek­tro­che­mie. Im Rah­men des Fraun­ho­fer-Leit­pro­jekts »Strom als Roh­stoff« wid­men sich die Fach­leu­te der Ent­wick­lung zwei­er ver­schie­de­ner Pro­zes­se: Zum einen wol­len sie Was­ser­stoff­per­oxid (H2O2) – ein Des­in­fek­ti­ons- und Bleich­mit­tel – ein­fach und zuver­läs­sig mit­tels Strom her­stel­len. Zum ande­ren ver­su­chen sie, aus Elek­tri­zi­tät und CO2 wert­vol­le Basis­chemi­ka­li­en zu erzeu­gen – Ethen sowie ver­schie­de­ne Alkohole.

Was­ser­stoff­per­oxid-Pro­duk­ti­on On-Demand

Was­ser­stoff­per­oxid gilt als umwelt­freund­li­ches Bleich­mit­tel, es wird im gro­ßen Stil für die Papier­her­stel­lung genutzt, um den Zell­stoff zu blei­chen. Bis­lang pro­du­ziert die Indus­trie das Mit­tel mit dem Anthr­achi­non-Ver­fah­ren. Das jedoch benö­tigt nicht nur orga­ni­sche Lösungs­mit­tel, son­dern auch jede Men­ge Ener­gie. Des­halb tüf­teln die Fraun­ho­fer-For­scher an einer Alter­na­ti­ve, die mit Strom funk­tio­niert. Das Prin­zip: Ähn­lich wie bei einer Bat­te­rie ent­hält der Reak­tor einen Minus- und einen Plus-Pol. Legt man Strom an, bil­den sich Pro­to­nen, die mit Sauer­stoff reagie­ren kön­nen. Gelingt es, opti­ma­le Strom- und Span­nungs­wer­te ein­zu­stel­len und den rich­ti­gen Kata­ly­sa­tor ein­zu­set­zen, ent­steht Was­ser­stoff­per­oxid. Die Her­aus­for­de­rung ist, Bedin­gun­gen zu schaf­fen, bei denen das Was­ser­stoff­per­oxid län­ge­re Zeit sta­bil in einer Lösung bleibt.

Kon­kret ent­wi­ckeln die For­scher zwei Vari­an­ten: Bei der ers­ten arbei­ten sie an einem Reak­tor, bei dem eine Mem­bran die bei­den Pole trennt. Ent­schei­dend ist, einen Kata­ly­sa­tor für den Minus­pol zu fin­den, der die Reak­ti­on von Was­ser­stoff und Sauer­stoff zu Was­ser­stoff­per­oxid mög­lichst wir­kungs­voll in Gang bringt. Das zwei­te Ver­fah­ren basiert auf einer Dia­man­t­elek­tro­de. Ein­ge­setzt wird sie bereits zur Abwas­ser-Des­in­fek­ti­on. Die Fach­leu­te ver­su­chen sie so zu modi­fi­zie­ren, dass sie auch Was­ser­stoff­per­oxid her­stel­len kann.

Bei­de Vari­an­ten funk­tio­nie­ren, aller­dings muss die Kon­zen­tra­ti­on des Was­ser­stoff­per­oxids noch gestei­gert wer­den. »Am Ende soll die Erkennt­nis ste­hen, wel­ches der bei­den Ver­fah­ren bes­ser läuft«, erläu­tert Dr. Pflaum. »Unser Ziel ist, bei­de Metho­den in die Nähe der Pra­xis­rei­fe zu brin­gen.« Die Visi­on: Auf dem Fir­men­ge­län­de eines Zell­stoff­her­stel­lers pro­du­zie­ren elek­tro­che­mi­sche Reak­to­ren – womög­lich mit dem Strom eines benach­bar­ten Wind­parks – stets so viel Bleich­mit­tel, wie der Papier­her­stel­ler gera­de benö­tig: Was­ser­stoff­per­oxid-Pro­duk­ti­on On-Demand.

CO2 elek­tro­che­misch zu Pro­duk­ten umsetzen

Deut­lich grund­la­gen­ori­en­tier­ter gestal­tet sich der ande­re Zweig des Leit­pro­jekts. Hier wol­len die Fach­leu­te ver­su­chen, aus Strom und CO2 wich­ti­ge Basis­chemi­ka­li­en zu pro­du­zie­ren, die kon­ven­tio­nell aus Erd­öl gewon­nen wer­den. Zwar gibt es CO2 im Über­fluss, jedoch ist es reak­ti­ons­trä­ge und geht nur ungern Ver­bin­dun­gen ein. »Damit es che­misch reagiert, müs­sen wir es akti­vie­ren«, erklärt Dr. Pflaum. »Im Rah­men unse­res Leit­pro­jekts ent­wi­ckeln wir drei Pro­to­ty­pen, die CO2 elek­tro­che­misch zu Pro­duk­ten umsetzen.«

Ethen ist ein zen­tra­les Vor­pro­dukt für die Her­stel­lung des Stan­dard­kunst­stoffs Poly­ethy­len. Die Fraun­ho­fer-Exper­ten ent­wi­ckeln einen Reak­tor auf Basis einer Gas­dif­fu­si­ons­elek­tro­de. In ihm kommt CO2 mit einem Elek­tro­ly­ten in Kon­takt. An der Elek­tro­de ent­steht mit­hil­fe eines Kata­ly­sa­tors Ethen.

Kurz­ket­ti­ge Alko­ho­le wie Etha­nol und Pro­pa­nol die­nen als Stan­dard­re­ak­ti­ons­part­ner in der orga­ni­schen Che­mie, kom­men aber auch als Treib­stoff in Fra­ge. Mit einem neu­ar­ti­gen Hoch­druck-Reak­tor arbei­ten die Wis­sen­schaft­ler dar­an, ver­dich­te­tes CO2 che­misch zu akti­vie­ren und mit Was­ser­stoff zu Alko­hol­mo­le­kü­len reagie­ren zu lassen.

Lang­ket­ti­ge Alko­ho­le fun­gie­ren unter ande­rem als Weich­ma­cher, Ten­si­de, und Kraft­stoff­ad­di­ti­ve. Um sie kli­ma­freund­lich zu erzeu­gen, ent­wi­ckeln die For­scher ein zwei­stu­fi­ges Ver­fah­ren: Zunächst erzeu­gen sie aus Was­ser und CO2 mit­tels Hoch­tem­pe­ra­tur-Elek­tro­ly­se ein Syn­the­se­gas, das aus Koh­len­mon­oxid und Was­ser­stoff besteht. Die­ses Gas wird dann in einer Fischer-Tropsch-Syn­the­se zu lan­gen Alko­hol­mo­le­kü­len verkettet.

»Gelingt es uns, die Mach­bar­keit die­ser Ver­fah­ren zu zei­gen, sind das attrak­ti­ve Alter­na­ti­ven für die che­mi­sche Indus­trie«, so Dr. Pflaum. Dann lie­ßen sich die neu­en, kli­ma­scho­nen­den Metho­den gemein­sam mit der Indus­trie zu Pilot­an­la­gen weiterentwickeln.