“Strom als Rohstoff” für eine nachhaltige Chemie

Modell der Hochdruckelektrolyse. © Fraunhofer UMSICHT

Wasserstoffperoxid, Ethen, Alkohole: Das Fraunhofer-Leitprojekt “Strom als Rohstoff” entwickelt elektrochemische Verfahren, die regenerativ erzeugten Strom nutzen, um Basischemikalien zu synthetisieren – mit dem Ziel, die chemische Industrie nachhaltiger zu gestalten. Vom 11. bis 15. Juni präsentiert Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit acht weiteren Fraunhofer-Instituten auf der ACHEMA 2018 die Ergebnisse.

Die Energiewende ermöglicht es, Strom CO2-ärmer zu erzeugen und eröffnet neue Wege für eine stromgeführte Produktion. Um diesen Wandel zu gestalten, haben neun Fraunhofer-Institute unter Federführung von Fraunhofer UMSICHT ihre Kompetenzen gebündelt. Im Rahmen des Leitprojekts »Strom als Rohstoff« entwickeln sie neue elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Basischemikalien.

Seit dem Projektstart 2015 wurden neue Prozesse entwickelt, technisch demonstriert und ihre Kopplung mit dem deutschen Energiesystem analysiert – immer mit dem Ziel, Ressourcen, Energie und Kapital bestmöglich einzusparen. Auf der ACHEMA 2018, der internationalen Leitmesse für Prozessindustrie, präsentieren die Partner Know-how, Technologien und Demonstratoren aus dem Leitprojekt.

Wasserstoffperoxid on Demand: Mit Strom zu H₂O₂

Die umweltfreundliche Chemikalie Wasserstoffperoxid (H₂O₂) kommt u. a. als Bleichmittel und zur Entschwefelung zum Einsatz. Die Produktion ist kostenintensiv und benötigt große Mengen an Lösungsmitteln und Energie. Für viele Anwender wäre es ein großer Vorteil, auf die umfangreiche Logistik und Lagerung verzichten und H₂O₂ nach Bedarf (on demand) dezentral herstellen zu können. Im Leitprojekt haben Fraunhofer-Forscher deshalb einen Demonstrator für die kontinuierliche, elektrochemische Herstellung von H₂O₂ im wässrigen Reaktionssystem einschließlich Kopplung an chemische Folgeprozesse entwickelt. Der Prozess kann kleinskalig, dezentral und im Idealfall mit 100 Prozent erneuerbarem Strom betrieben werden – das Prozessschema wird auf dem Messestand gezeigt.

Die CO₂-Raffinierie

Kohlenstoffdioxid ist eine sinnvolle Kohlenstoffquelle für Chemikalien und Treibstoffe, wenn erneuerbare Energie zur Aktivierung genutzt wird. Auf diese Weise werden Strom, CO₂ und Wasser zu Rohstoffen einer neuartigen CO₂-Raffinerie. Im Leitprojekt werden mehrere Verfahren zur elektrochemischen Konversion von CO₂ zu Basischemikalien entwickelt.

Demonstrator zur Herstellung von Ethen aus CO2. © Fraunhofer IGB

Mit Strom zu Ethen oder Alkohol

So konnte die Herstellung von Ethen, der mit Abstand wichtigsten Basischemikalie der petrochemischen Industrie, aus CO₂ und Wasser in nur einem Schritt demonstriert werden. Der 3 m breite und 2 m hohe Demonstrator steht auf dem Messestand zur Besichtigung bereit. Außerdem wird ein Prozess zur elektrochemischen Herstellung kurzkettiger Alkohole (C₁–C₄) – hierzu zählt beispielsweise Methanol – erforscht, der über ein neues einstufiges Hochdruckelektrolyseverfahren CO₂ und Wasser umsetzt. Das Prinzip der Hochdruckelektrolyse veranschaulicht Fraunhofer UMSICHT auf der ACHEMA anhand einer nachgebauten Hochdruckzelle mit integrierten Elektroden.

Langkettige Alkohole (C₄–C₂0) werden u.a. in der Kunststoff-, Kosmetik- und Waschmittelproduktion eingesetzt. Um die hochpreisigen Grundstoffe zu gewinnen, haben Fraunhofer-Forscher einen gekoppelten Prozess aus Hochtemperaturelektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese entwickelt, der langkettige Alkohole aus CO₂ und Wasser herstellt. Die Synthese wird erstmalig über einen zweistufigen Prozess realisiert. Eine Hochtemperaturstabile Festoxidzelle für Power-to-Gas-Prozesse und ein Plexiglasreaktor demonstrieren auf der ACHEMA das Prinzip hinter den chemischen Prozessen.

Vom Molekül zum Prozess

Membranen, Elektroden und eine ausgefeilte Analytik sind wichtige Werkzeuge elektrochemischer Zellen und Prozesse. Eines dieser neu entwickelten Werkzeuge wird auf der ACHEMA präsentiert: Eine neuartige Membran für geteilte elektrochemische Zellen, die sich neben der sehr guten Protonenleitfähigkeit durch einen geringeren Preis und eine verbesserte Recyclingfähigkeit auszeichnet.

Des Weiteren sind zur Unterstützung der einzelnen Prozesse Modellierungswerkzeuge und ein Entscheidungsunterstützungssystem konzipiert worden. Wie das interaktive Tool für multidimensionale Datensätze Ergebnisse visualisiert und elektrochemische Prozesse in Abhängigkeit des Energiemarktes steuert, zeigen die Forscher auf dem Messestand.

Projektkonsortium “Strom als Rohstoff”

· Fraunhofer UMSICHT (Koordination) | Hochdruckelektrolyse: Herstellungkurzkettiger Alkohole | Systemanalyse und Nachhaltigkeitsbewertung

· Fraunhofer IKTS | SOEC-Co-Elektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese: Herstellung langkettiger Alkohole aus CO₂ und Wasser

· Fraunhofer IAP | Neuartige Elektrolysemembran

· Fraunhofer ICT | Elektrochemische Herstellung von H₂O₂ im wässrigen Reaktionssystem

· Fraunhofer IGB | Demonstrator zur Herstellung von Ethen aus CO₂

· Fraunhofer ITWM | Modellierung, Simulation, Optimierung

· Fraunhofer ISC | Charakterisierung von elektrochemischen Komponenten

· Fraunhofer IST | Anodische Herstellung von H₂O₂ mit Diamantelektroden

· Fraunhofer WKI | Elektrochemische Anwendungen in der Holz- und Papierwirtschaft

“Strom als Rohstoff”: Interview mit Dr. Hartmut Pflaum und Michael Prokein

Die Energiewende ermöglicht es, Strom CO₂-ärmer zu erzeugen – was neue Wege für eine stromgeführte Produktion eröffnet. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts “Strom als Rohstoff” entwickeln neun Fraunhofer-Institute unter Federführung von Fraunhofer UMSICHT neue elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Basischemikalien. Projektleiter Dr. Hartmut Pflaum ordnet die Ziele und Ergebnisse des Vorhabens ein. Michael Prokein, Abteilung Materialsysteme und Hochdrucktechnik, geht ins Detail und stellt das bei Fraunhofer UMSICHT entwickelte Hochdruckelektrolyseverfahren vor.

Dr. Hartmut Pflaum, Business Developer Geschäftsfeld Chemie bei Fraunhofer UMSICHT. © Fraunhofer UMSICHT/Ilka Drnovsek

Im Rahmen der Energiewende entstehen neue Produktionswege. Welchen Beitrag leistet vor diesem Hintergrund das Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff«?

Dr. Hartmut Pflaum: Das Fraunhofer-Leitprojekt hat schon 2015 das Thema »Sektorkopplung« aufgegriffen, als es noch nicht in allen Überschriften zu lesen war. Zu diesem Zeitpunkt kam noch ziemlich theoretisch die Idee auf, CO₂-armen Strom für elektrochemische Synthesen zu nutzen. Im Leitprojekt haben wir uns zum Ziel gesetzt, vier unterschiedliche elektrochemische Prozesse neu zu entwickeln und experimentell zu demonstrieren. Dass wir diese Prozesse nach nur drei Jahren Arbeit auf der ACHEMA zeigen können, macht uns recht zufrieden. Die im Leitprojekt gebündelten Fraunhofer-Kompetenzen bilden eine einzigartige Plattform für Innovationen in der Elektrochemie mit unseren industriellen Partnern.

Was sind die übergeordneten Ziele des Projekts?

Dr. Pflaum: Die zwei großen Ziele des Projekts sind die Entwicklung neuer elektrochemischer Verfahren sowie die Analyse, wie diese Verfahren vorteilhaft mit dem deutschen Stromsystem gekoppelt werden können. Technisch haben wir die dezentrale Herstellung von Wasserstoffperoxid sowie die elektrochemische Konversion von Kohlenstoffdioxid zu Basischemikalien erforscht und zur Anwendung gebracht. Ohne Systemanalyse, Marktmodelle und Nachhaltigkeitsbewertungen wären die Prozesse einiges weniger wert, denn es geht uns darum, die Vorteile der neuen Prozesse im Vergleich mit Referenzverfahren zu ermitteln.

Seit 2015 vereint “Strom als Rohstoff” zum Erreichen dieser Ziele neun Teilprojekte. Wie ist der aktuelle Stand?

Dr. Pflaum: Alle Demonstratoren laufen und erzeugen ihre Zielprodukte, wir haben ein neues Aspen-Tool zur Modellierung entwickelt und eine Software zur Entscheidungsunterstützung bei stromgeführten Produktionsprozessen. Besonders stolz sind wir darauf, dass eine völlig neuartige Membran für geteilte elektrochemische Zellen entwickelt werden konnte: Sie weist hohe Leitfähigkeiten auf, enthält nur ganz geringe Mengen Fluor – kann daher gut recycelt werden – und nicht zuletzt: sie ist kostengünstig herstellbar. Ein digitales Kohlenstoffdioxidkataster zeigt uns, wo in Deutschland CO₂ in welcher Menge und Qualität anfällt. Das ist wichtig für die Standortplanung. Und ein Indikatorenset für die Nachhaltigkeitsbewertung unterstützt die Entwicklung von Geschäftsmodellen. Nicht zuletzt sind wir sehr froh, in zwei Stakeholderdialogen mit der Industrie unser Projekt immer wieder dem Praxistest unterzogen zu haben.

Michael Prokein, Abteilung Materialsysteme und Hochdrucktechnik bei Fraunhofer UMSICHT. © Privat

Fraunhofer UMSICHT erforscht in einem Teilprojekt die elektrochemische Herstellung von Alkoholen. Welcher Prozess wird in diesem Rahmen entwickelt?

Michael Prokein: Es wird ein Prozess zur elektrochemischen Hochdrucksynthese entwickelt. Dabei werden CO₂ und H₂O als Edukte zu hochwertigen Chemikalien umgewandelt. Es handelt sich um einen einstufigen Prozess. Im Vergleich zu alternativen zweistufigen elektrochemischen Ansätzen zur CO₂-Konversion kann der Energieverbrauch enorm reduziert werden. Der Grund dafür ist, dass die Produktion von Wasserstoff als Zwischenprodukt nicht erforderlich ist, um CO₂ zu Aktivieren und beispielsweise zu Methanol umzuwandeln. Das unter Normalbedingungen reaktionsträge CO₂ wird direkt an der Elektrodenfläche zu einem reaktionsfähigen Radikal reduziert und kann anschließend in Folgereaktionen verschiedene Chemikalien bilden. Als Syntheseprodukte können dabei nicht ausschließlich Alkohole, sondern ebenfalls Säuren oder Synthesegase gebildet werden. Ein entscheidendes Merkmal des Prozesses ist, dass er bei hohen Drücken bis 150? bar betrieben wird. Dieser hohe Druck ermöglicht hohe CO₂-Konzentrationen in einer leitfähigen Elektrolytlösung und somit im Vergleich zu Umgebungsbedingungen deutlich höhere CO₂-Konversionsraten bei gesteigerten Stromdichten.

Wo kommen Alkohole in der chemischen Industrie überall zum Einsatz?

Prokein: Die möglichen Einsatzbereiche von Alkoholen in der chemischen Industrie sind so umfassend, dass hier nur einige Beispiele genannt werden können. Vor allem als Basischemikalien haben Alkohole hohe Relevanz, da sie sich gut in erdölbasierte Produktionsstrukturen integrieren lassen. Zum Beispiel ist Methanol weltweit – abgesehen von seiner Rolle als Energieträger – eine der wichtigsten Basischemikalien zur Herstellung von Formaldehyd, Essigsäure und vielen weiteren chemischen Produkten. Die Alkohole Ethanol, Propanol und Butanol können zu den heute noch aus Erdöl gewonnenen Alkenen und Dienen weiterverarbeitet werden und somit den Ausgangsstoff für die Massenkunststoffe Polyethylen und Polypropylen bilden. Zusätzlich können neben den Alkoholen auch weitere Syntheseprodukte, die bei der elektrochemischen Hochdrucksynthese gebildet werden, in der Industrie genutzt werden. Als Beispiel ist hierbei die Ameisensäure zu nennen, die zukünftig als Wasserstoffspeicher von großem Nutzen sein kann. Gegenüber den Alkoholen hat die Ameisensäure den Vorteil, dass für deren Synthese ein geringerer Energieeintrag notwendig ist und die Produktionskosten deutlich weniger vom Strompreis abhängen.

Worin besteht die Innovation des bei Fraunhofer UMSICHT entwickelten Verfahrens?

Dr. Pflaum: Vor Beginn des Leitprojekts gab es nur sehr wenige Veröffentlichungen oder Patente, die sich mit der elektrochemischen Umsetzung von CO₂ als kontinuierliche Phase unter hohem Druck beschäftigten. Wir konnten also nicht einfach Bestehendes weiterentwickeln oder optimieren, wir mussten bei Null anfangen. Einen Reaktor bei 50 bis 100 bar zu betreiben ist das eine, Strom hineinzuleiten und chemische Reaktionen kontrolliert ablaufen zu lassen etwas völlig Anderes. Heute können wir den Hochdruckprozess nicht nur stabil betreiben, wir können auch online die Zusammensetzung des Produktstroms ermitteln – und so Prozessparameter geschickt optimieren.

Welche Herausforderungen gab es bei der Entwicklung des Verfahrens?

Prokein: Die elektrochemische Reduktion von CO₂ bei hohen Drücken brachte in der Tat viele Herausforderungen mit sich, die den Fraunhofer-Forschern zu Beginn des Projekts teilweise Kopfschmerzen bereiteten. Mittlerweile sind wir alle jedoch sehr froh, uns auf dieses Abenteuer eingelassen zu haben. Als größte Herausforderung ist mit Sicherheit die Entwicklung der Hochdruckelektrolysezelle inklusive Analytik zu nennen. Zwischen dem zylindrischen Edelstahlreaktor, der lediglich mit Druck beaufschlagt werden kann, und einer einsatzbereiten Hochdruckelektrolysezelle, in der trotz der vielen leitfähigen Stahlkomponenten ohne Störströme reproduzierbare elektrochemische Messverfahren durchgeführt werden können, lagen viele arbeitsintensive Tage. Weiterhin hat es uns der unpolare Charakter von CO₂ erschwert, eine ausreichende Leitfähigkeit zu erzielen. Um bei hoher CO₂-Konzentration eine hohe Leitfähigkeit erreichen zu können, musste eine spezielle Zusammensetzung der Elektrolytlösung gefunden werden. Eine weitere entscheidende Herausforderung, die uns auch zukünftig begleiten wird, liegt in der Entwicklung langzeitstabiler, kostengünstiger Katalysatoren, an denen Zielprodukte mit hoher Selektivität und geringem Energieeintrag erzeugt werden können.

Wie sehen die Marktchancen für das Hochdruckelektrolyseverfahren aus?

Dr. Pflaum: Trotz aller Erfolge liegt unser Technology Readiness Level (TRL) bei vielleicht 2 – 3, d.? h. wir haben den experimentellen »proof of concept« erbracht und viel über Elektrolyse bei hohem Druck und in CO₂-Umgebung gelernt. Dieses Wissen und unsere experimentelle Ausstattung bringen wir gern in Entwicklungsprojekte ein, die die Umwandlung von CO₂ in größerem Maßstab vorantreiben wollen. CO₂ wird zunehmend als Rohstoff angesehen, wenn das Molekül mit erneuerbaren Energien und effizienten Katalysatoren aktiviert werden kann. Dass dies geht, haben wir nachgewiesen. Wenn die Sektorkopplung weiter voranschreitet, dann sind Strom und CO₂ die neuen Rohstoffe für dieses System. Und wir sind uns sicher, dass es bald auch erste großtechnische Umsetzungen geben wird. Unser Wissen und unsere Technologie werden wir dann unter unserer Marke eSource^® dort einbringen. Ich finde, wir haben 2015 einen guten Riecher für diese Entwicklung gehabt.

Kontakt

Source: Fraunhofer UMSICHT, Pressemitteilung, 2018-05-15.