Die Nutzung von CO2 als Rohstoff für die Herstellung chemischer Grundstoffe gilt als Schlüsseltechnologie für die klimafreundliche Industrie der Zukunft. Im Forschungsprojekt »PKat4Chem« wird ein einstufiges Verfahren entwickelt, das CO2 gemeinsam mit Biomethan effizient in Methanol oder Ethylen umwandelt.
Das Verfahren basiert auf der Niedertemperatur-Plasmakatalyse und soll fossile Ressourcen durch erneuerbare Kohlenstoffquellen ersetzen. Dabei bringt das Fraunhofer IMWS seine Expertise in der Materialanalyse ein – von REM bis XPS – um die eingesetzten Katalysatoren und Elektroden gezielt weiterzuentwickeln.
Technologien zur CO2-Nutzung: Power-to-X und Plasmakatalyse
Im Fokus stehen dabei Verfahren, die CO2 als Kohlenstoffquelle integrieren und gleichzeitig auf erneuerbare Energien setzen. Ein sehr wirkungsvoller Ansatz für eine nachhaltige Produktion organischer Grundchemikalien wie Ethylen, Methanol oder Styrol sind dabei Power-to-X-Technologien: Hierbei wird Strom aus erneuerbaren Energien genutzt. Der für die chemischen Verbindungen benötigte Wasserstoff kann mittels Elektrolyse ebenfalls emissionsfrei gewonnen werden. Kommt als Kohlenstoffquelle CO2 zum Einsatz, kann der Kohlenstoffkreislauf geschlossen und sogar bereits emittiertes Treibhausgas der Atmosphäre entzogen werden.
Die Umwandlung und damit Nutzbarmachung von CO2 zur Gewinnung von chemischen Grundstoffen steht im Mittelpunkt des Projekts »PKat4Chem«. Das Konsortium setzt dabei auf Niedertemperatur-Plasma-Katalyse (NTPK). Mit dieser Technologie sollen aus Biomasse erzeugte Gase wie Methan (CH4) in Kombination mit CO2 hocheffizient mittels Plasmas aktiviert und durch entsprechende Katalysatoren in einem einstufigen Verfahren zu chemischen Grundstoffen wie Methanol (CH3OH) oder Ethylen (C2H4) umgesetzt werden.
Effizienz, Skalierbarkeit und Anwendungspotenzial des Verfahrens
Der Fokus des Projekts liegt auf NTPK-Reaktoren, weil diese sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 95 Prozent erreichen können. Zudem bieten sie den Vorteil einfacher Skalierbarkeit und niedrigere Investitions- und Betriebskosten. So wird ein potenziell schlüsselfertiger Prozess möglich, der dynamisch und bedarfsangepasst ein- und ausgeschaltet werden kann.
Ziel des bis Ende 2027 laufenden Projekts ist eine neuartige Prozesskette. Im Kern steht die Entwicklung einer NTPK-Reaktormodul-Einheit zur Synthese von Methanol oder Ethylen. Diese soll im Feldversuch auf einem Teststand an einer bestehenden Biogasanlage validiert werden. Das Fraunhofer IMWS übernimmt im Projekt die mikrostrukturelle Charakterisierung des patentierten Elektrodenwerkstoffs und der entsprechenden Katalysatoren. Hierbei werden die Materialien hinsichtlich der Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) analysiert und die Elementverteilungen mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS) untersucht. Zusätzlich steht die Untersuchung von oberflächennahen Materialveränderungen durch die Einwirkung der NTPK mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Time-of-Flight Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) im Vordergrund der Untersuchungen des Fraunhofer-Teams.
Analyse und Entwicklung der Materialien im CO2-Umwandlungsprozess
»Um die Vorgänge an der Elektrode zu verstehen, wollen wir auch grundlegende Eigenschaften thermoanalytisch untersuchen und dabei die Redoxvorgänge an den verschiedenen Grenzflächen der beteiligten Materialien mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) aufklären. Das würde eine Materialentwicklung ,unter Sicht‘ möglich machen«, erläutert Christian Thieme, der das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet. »Der Ansatz bietet zahlreiche Vorteile, von der hohen Flexibilität über die dezentrale Anwendung bis zur Möglichkeit, Biogas tatsächlich vollständig zu nutzen und prozessbedingte CO2-Emissionen auszuschließen. Nicht zuletzt motiviert uns auch, dass ein enormer Bedarf an nachhaltigen Grundchemikalien besteht, für die chemische Industrie ebenso wie perspektivisch für den Verkehrssektor.«
Projektkonsortium für CO2-basierte Chemie
Am Projekt »PKat4Chem« sind neben dem Projektkoordinator enaDyne GmbH auch die EDL Anlagenbau Gesellschaft mbH, die Arcanum Energy Systems GmbH & Co KG, die HTWK Leipzig, die TU Bergakademie Freiberg, die Universität Leipzig, die Ruhr-Universität Bochum sowie das Fraunhofer IMWS beteiligt.