Das Fraunhofer-Institut UMSICHT möchte statt eines zweistufigen Verfahrens, ein einstufiges Verfahren etablieren.
Bild: © Fraunhofer UMSICHT

Aus CO2 und Wasser in einem Schritt zu den Alkoholen

Ein einstufiges elektrochemisches Verfahren des Fraunhofer-Instituts UMSICHT soll aus CO2 und Wasser die Flüssigkeiten Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol - für die Weiterverarbeitung vieler Produkte wichtige Bestandteile - herstellen.

Dies ist Zielsetzung des Projektes "ElkaSyn – Steigerung der Energieeffizienz der elektrokatalytischen Alkoholsynthese": Vorliegende Konzepte zur stofflichen CO2-Nutzung sehen aktuell einen zweistufigen Prozess vor. Am Anfang steht ein Elektrolyseprozess, bei dem Wasserstoff mit Hilfe von regenerativem Strom hergestellt wird. Es folgt ein katalytischer Prozessschritt. Dabei wird der Wasserstoff mit CO2 zum gewünschten Endprodukt – zum Beispiel Alkohole – umgesetzt. Die Nachteile: Zum einen muss das Zwischenprodukt Wasserstoff gespeichert werden, zum anderen treten bei der Elektrolyse zur Wasserstoffbereitstellung Energieverluste auf.

Hier setzt das Projekt an. Die Wissenschaftler wollen Verfahren entwickeln, mit denen die Alkohole Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol in einem einstufigen Prozess direkt mittels erneuerbarer Energie, Kohlenstoffdioxid und Wasser erzeugt werden. Bei einer solchen einstufigen elektrochemischen Reduktion von CO2 zu Alkoholen entfallen sowohl der Aufwand für die Speicherung des Wasserstoffs als auch die Systemkosten für einen Reaktor, in dem Wasserstoff und CO2 zu den Zielprodukten umgesetzt werden.

Erste Anfänge als Ideen

Durch die erfolgreiche Entwicklung des einstufigen Prozesses werde ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 20 Prozent im Vergleich zu einem zweistufigen Verfahren erwartet, heißt es seitens des Instituts. Auf dem Weg zu einer solchen einstufigen Reduktion wird auf zwei unterschiedliche Reaktorkonzepte gesetzt. Sie entwickeln bzw. untersuchen Systemkomponenten für ein Hochdruck- und ein Normaldruckverfahren.

Darunter Eisen-Nickel-Sulfide, kupferbasierte Verbindungen auf oxidischen und Kohlenstoffträgern sowie poröse Gasdiffusionselektroden, in denen Gase mit einem elektronenleitenden, ggfs. Katalysator-aktivierten Festkörper und einer Elektrolyselösung in Kontakt stehen und umgesetzt werden.

Vorteile des Verfahrens

Die Endprodukte Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol haben für verschiedene Prozesse eine große Bedeutung. Methanol ist – abgesehen von seiner Rolle als Energieträger – eine der wichtigsten Basischemikalien und wird größtenteils zu Formaldehyd, Essigsäure, Methyltertbutylether, Methylmethacrylat, Methylchlorid und Methylaminen weiterverarbeitet, zeigt das Institut auf. Die Alkohole Ethanol, Propanol und Butanol können zu den heute noch aus Erdöl gewonnenen Alkenen und Dienen weiterverarbeitet werden.

So lassen sich Ethanol und Propanol zu Ethen und Propen umsetzen – den Ausgangsstoffen für die Kunststoffe Polyethylen und Polypropylen. Butanol kann zur Herstellung von Butadien verwendet werden – dem Ausgangsstoff für synthetischen Kautschuk. Hinter dem Forschungsprojekt stehen das Fraunhofer UMSICHT (Koordination), Siemens, die Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe, das Institut für Technische Chemie der Universität Stuttgart sowie die Lehrstühle für Anorganische Chemie I und für Verfahrenstechnische Transportprozesse der Ruhr-Universität Bochum. (ab)